嵌入式Linux实时性研究与设计

论文摘要

作为类UNIX操作系统,Linux操作系统除了保持UNIX稳定、高效等优势之外,系统自身的功能更是不断发展,日益成熟。相对于其他操作系统而言,Linux可以按照需要修改源代码,并且具有支持多种硬件平台、功能可剪裁等诸多优点,在实时领域内也有着广泛的潜在应用前景。但是由于Linux是一种通用操作系统,而不是一个真正的实时操作系统,而只能称其为软实时操作系统,而不是一种强实时系统。其标准内核不支持事件优先级和抢占实时特性,没提供很多嵌入式应用程序所需要的可预测响应时间(predictable response times)等。所以,在进行嵌入式Linux系统动态扩展性研究开发时,首要的问题是扩展Linux的实时性能。由于linux主要在三个方面不利于实时性的增强:即过长的中断封锁时间,非抢占式的内核,耗尽的、机会均等的调度策略,本文结合目前的常用的改造内核的方法,提出新的修改方式,重点在linux以下几个方面着手:·内核的不可抢占性:本文主要从抢占锁、互斥锁,中断处理与调度函数四个方面提出修改方法。·中断线程化:对中断线程化进行研究,将其应用于2.6内核中。·调度器设计:根据EDF实时调度算法的相关思想,设计实现了一个实时调度器,将其应用于Linux 2.4内核,并通过验证测试,证明改进后的系统较好地解决了普通Linux在实时性方面存在的不足,其能够在实时领域有较好的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 嵌入式系统的定义及分类
• 1.1.1 嵌入式系统的硬件
• 1.1.2 嵌入式系统的软件
• 1.2 嵌入式Linux系统的应用
• 1.3 本课题的研究目的及意义
• 1.4 本课题的内容及结构
• 第2章 嵌入式操作系统及嵌入式Linux实时性分析
• 2.1 实时操作系统概述
• 2.1.1 实时系统与实时操作系统
• 2.1.2 软实时与硬实时
• 2.1.3 实时操作系统的主要构成
• 2.1.4 实时操作系统的评价
• 2.1.5 衡量RTOS实时性能的重要指标
• 2.2 嵌入式Linux的实时性不足分析
• 标准Linux内核制约实时性的因素
• 2.3 常见的嵌入式实时操作系统分析
• 2.3.1 RT-Linux
• 2.3.2 RED-Linux
• 2.3.3 Qlinux
• 2.3.4 实时Linux实现方案的总结
• 第3章 Linux可抢占内核结构分析与研究
• 3.1 Linux操作系统内核分析
• 3.1.1 进程调度
• 3.1.2 中断管理
• 3.1.3 系统调用
• 3.1.5 模块管理
• 3.1.6 文件系统管理
• 3.1.7 设备管理
• 3.2 目前linux内核实时性增强的方案
• 3.2.1 双内核结构
• 3.2.2 直接修改Linux内核
• 3.2.3 目前内核存在的问题
• 3.3 抢占式内核的实现
• 3.3.1 抢占锁的实现
• 3.3.2 互斥锁的实现
• 3.3.3 中断处理代码的修改
• 3.3.4 调度函数的修改
• 3.4 测试
• 结果分析
• 第4章 中断线程化技术研究
• 4.1 标准内核中中断的实现
• 4.2 中断线程化技术
• 4.2.1 中断线程化策略
• 4.2.2 中断处理过程
• 4.2.3 中断请求
• 4.3 测试
• 4.3.1 测试内容与方法
• 4.3.2 测试结果
• 第5章 进程调度算法的研究及实时调度器的设计
• 5.1 进程调度分析
• 5.1.1 进程调度时机
• 5.1.2 进程调度的策略及依据
• 5.1.3 进程的调度
• 5.2 常见的实时调度算法
• 5.2.1 单调速率调度算法（RM）
• 5.2.2 截至时间优先调度算法（EDF）
• 5.2.3 最短空闲时间优先度算法（LLF）
• 5.2.4 实时调度算法的比较
• 5.3 实时调度器的设计
• 5.3.1 主要数据结构
• 5.3.2 主要算法
• 5.4 测试
• 5.4.1 初始化环境
• 5.4.2 配置核心
• 5.4.3 编译内核
• 5.4.4 测试结果
• 第6章 结束语
• 对本文工作的总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文