基于ARM的嵌入式强实时内核设计

论文摘要

随着国内工业化、数字化的迅速发展,嵌入式开发在IT行业中的重要性越来越显著。嵌入式开发领域对产品的功能性、稳定性、实时性等方面的要求也越来越高。采用嵌入式实时操作系统作为开发平台,以高性能的嵌入式处理器为工业控制等领域的主控制器可以有效地提高系统的可靠性、实时性、和软件编程的灵活性。在嵌入式处理器方面,ARM构架已经在高性能、低功耗、低成本的嵌入式领域里占领先地位。而在嵌入式操作系统方面,适合国内发展方向的解决方案以及系统基础结构方面并不理想。首先,国外成熟的嵌入式实时操作系统大都成本高、结构复杂,不适合强实时应用;其次,因大部分实时操作系统不公开源码,使开发的产品存在安全隐患。而类似μC/OS—II的小型强实时嵌入式操作系统内核虽然具有低成本、易控制、小规模、高性能等特性,但这类系统的基础较为薄弱,面临产品化和商业化还有一定的距离。本文针对这种情况,结合现有的操作系统内核理论及嵌入式强实时系统的特殊需求,特别是对μC/OS—II的研究分析基础上,面向强实时应用,设计、构造了一种适合在32位ARM处理器环境下使用的内核。这样做的目的是为了提供一个基础牢固、值得信赖的基本平台。本文研究工作主要集中在以下几个方面:针对嵌入式环境中高效、简洁、易扩展、易剪裁的要求,对内核体系结构框架进行了设计。内核整体上采用分层结构,在各层中采用功能相对独立的模块;在最底层借鉴微核的原理,只提供最基本的功能模块。针对系统快速和稳定的实时响应能力需求,为IRQ中断建立了统一的中断入口,采用合理的半嵌套工作方式;保留FIQ为不可屏蔽中断,在快速反应场合使用;引入中断分段处理机制解决中断和任务的ITC机制共享,需要硬保护机制相互协调所引起的硬保护机制被隐性地泛滥使用问题。针对应用提出的系统行为的可预测性需求,在调度算法方面采用基于优先级位图的抢占阈值调度算法,提高了处理器的利用率和任务集合的可调度性,减少了内核存储开销;在共享资源访问控制方面,以优先级天花板协议为依据,使用互斥事件解决优先级反转和死锁问题的发生。为了保障系统的强实时性能,本文还对内核的时钟管理、内存管理等方面进行了设计。最后,通过实时性能测试,结果表明该实时内核有很好的强实时特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 嵌入式实时系统简介
• 1.2 嵌入式实时操作系统主要特性
• 1.3 实时操作系统研究现状和发展趋势
• 1.4 研究的背景和意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 嵌入式实时操作系统内核结构设计
• 2.1 ARM 处理器主要特性
• 2.1.1 程序状态寄存器与处理器模式
• 2.1.2 中断的优先级资源
• 2.1.3 ARM 处理器异常中断处理
• 2.1.4 ARM 微处理器硬保护算法逻辑
• 2.2 内核结构
• 2.2.1 单一内核结构
• 2.2.2 层次内核结构
• 2.2.3 微内核结构
• 2.2.4 内核结构设计
• 2.3 中断与设备
• 2.4 中断管理
• 2.4.1 嵌套中断机制
• 2.4.2 不可屏蔽中断机制
• 2.4.3 中断分段处理机制
• 2.4.4 IRQ 中断入口逻辑与出口处理
• 2.5 设备驱动模型
• 第三章 任务调度策略与资源访问控制协议
• 3.1 任务调度策略
• 3.1.1 静态优先级调度
• 3.1.2 时间片轮转调度
• 3.1.3 静态调度的任务优先级分配
• 3.2 基于优先级位图的抢占阈值调度
• 3.2.1 优先级位图算法实现原理
• 3.2.2 优先级位图算法增加支持优先级数量
• 3.2.3 优先级位图算法减少优先级判定表所需存储空间
• 3.2.4 基于优先级位图的抢占阈值调度算法
• 3.3 资源访问控制
• 3.3.1 资源访问所引起的设计问题
• 3.3.2 资源访问控制协议
• 3.3.3 互斥型事件解决优先级反转
• 第四章 内核对象
• 4.1 任务管理
• 4.2 任务间的同步、互斥与通信（ITC）
• 4.3 时钟管理
• 4.4 内存管理
• 4.4.1 内存管理特性
• 4.4.2 内存分配方案
• 4.4.3 内存管理方案设计
• 第五章 内核其它设计与性能分析
• 5.1 自保护软件 FIFO
• 5.2 流控
• 5.3 临界区与保护
• 5.4 实时性能测试
• 5.4.1 测试指标
• 5.4.2 测试平台
• 5.4.3 测试原理
• 5.4.4 测试结果
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 研究生在读期间发表论文