面向仿真的实时操作系统技术研究

论文摘要

随着仿真系统应用领域的不断扩展，越来越多的仿真平台必须采用硬件在回路的方式构建，这就要求实行实时仿真。并且，随着仿真系统的日益复杂化、巨型化，要求系统具备更高的实时性和响应性。实时仿真要求系统平台定时稳定、波动小、中断响应迅速，而其操作系统作为实时仿真平台的核心支撑，是决定这些性能的关键部分。 不同的仿真系统对操作系统的要求也不尽相同，某一操作系统的性能也并不可能满足所有实时应用的要求；所以在针对实时仿真的具体性能要求选择操作系统平台时，经常是陷于难以取舍的境地。实时仿真系统要求其操作系统平台具有好的响应性和可确定性，同时也要求它是一个能够方便地进行开发测试和网络应用的平台；另外仿真应用的复杂性和多样性要求有一个能够针对具体的仿真需求调整性能指数的操作系统平台。 Linux操作系统良好的实时性基础及其开放源代码的优势为我们带来了实现这一技术的前景。尽管Linux属于分时系统，但较新版本的Linux内核具有越来越好的实时性能，可以依据具体需求对其进行实时化改造。 论文首先依据公开共享的Linux内核源代码，进行Linux内核中与实时性相关机制的研究，总结出影响实时性能的关键核心机制，包括进程与进程调度机制、中断与系统调用机制、定时测量机制等，同时给出每一处具体改进方法。 然后实现一个实时性能有所提高并有效支持实时仿真的Linux系统，论文描述了详细的步骤：编写引导程序，将修改后的内核代码编译，建立简洁完整的新根文件系统，整合后形成我们自己的Linux系统—KD-Linux系统，以供实时仿真程序进行运行测试试验。 为充分发挥操作系统的实时性能，仿真应用程序的设计也至关重要，接下来我们开发有代表性的实时仿真程序，依据核心机制的知识对实时仿真程序的运行过程进行详细研究，分析实时仿真程序执行的实时性能；针对网络应用在实时仿真中的应用越来越广泛，论文还重点开发网络数据传输程序，分析仿真过程中网络数据传输对实时性的影响，从操作系统和仿真程序设计两个方面研究实时仿真中的网络通信实现模式，减小网络通信对仿真实时性的影响。设计方法在KD-Linux系统中予以实现，并配以详尽的测试，充分验证了方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引论
• §1.1 实时仿真与实时操作系统
• §1.2 Linux操作系统
• §1.3 发展现状
• §1.4 Linux OS实时改进方案
• §1.5 论文研究的价值和意义
• §1.6 论文组织和结构
• 第二章 与实时性有关的Linux OS内核机制分析
• §2.1 内核的结构
• §2.2 进程与进程调度机制
• §2.2.1 进程的属性
• §2.2.2 进程的创建、执行与消亡
• §2.2.3 进程调度
• §2.2.3.1 进程调度时机
• §2.2.3.2 进程调度策略
• §2.2.4 进程调度机制的实时改进
• §2.3 中断与系统调用机制
• §2.3.1 中断处理过程
• §2.3.2 系统调用
• §2.3.3 可延迟函数（软中断）
• §2.3.3.1 软中断与tasklet
• §2.3.3.2 下半部分
• §2.3.4 中断机制的实时改进
• §2.3.5 软中断机制的实时改进
• §2.4 网络
• §2.4.1 Linux网络接口
• §2.4.2 网络相关的系统调用
• §2.4.3 向网卡发送数据与从网卡接收数据
• §2.4.3.1 向网卡发送数据
• §2.4.3.2 从网卡接收数据
• §2.4.4 网络部分的实时改进
• §2.5 定时测量
• §2.5.1 与定时测量相关的硬时钟
• §2.5.2 Linux内核的时钟中断
• §2.5.2.1 Linux时钟中断的初始化
• interrupt（）'>§2.5.2.2 时钟中断服务程序timer_interrupt（）
• §2.5.3 与定时测量相关的系统调用
• §2.5.4 定时测量的实时改进
• §2.6 小结
• 第三章 KD-Linux的建立与性能分析
• §3.1 KD-Linux系统的建立
• §3.1.1 KD-Linux引导过程的建立
• §3.1.2 Linux内核初始化与KD-LINUX系统初始化的建立
• §3.1.3 KD-Linux内核的修改与编译
• §3.1.4 KD-Linux根文件系统的建立
• §3.1.5 KD-Linux系统的整合
• §3.2 KD-Linux系统实时性能的优化
• §3.2.1 KD-Linux系统内核线程分析
• §3.3 KD-Linux系统的使用与管理
• §3.4 小结
• 第四章 实时仿真程序的设计与运行分析
• §4.1 实时仿真试验程序的设计
• §4.1.1 定时器方式（内核态度量时间）
• §4.1.2 单进程方式（用户态度量时间）
• §4.2 网络传输程序的设计
• §4.2.1 网络数据接收程序
• §4.2.2 网络数据发送程序
• §4.3 实时仿真进程运行过程分析
• §4.3.1 定时器方式程序的执行分析
• §4.3.2 单进程方式程序的执行分析
• §4.4 小结
• 第五章 试验及数据分析
• §5.1 定时器方式程序的相关测试
• §5.1.1 Red Hat Linux系统下的测试
• §5.1.2 KD-Linux系统下的测试
• §5.2 单进程方式程序的相关测试
• §5.2.1 Red Hat Linux系统下的测试
• §5.2.2 KD-Linux系统下的测试
• §5.3 存在网络数据传输时的相关测试
• §5.3.1 网络下定时器方式程序的测试
• §5.3.2 网络下单进程方式程序的测试
• §5.3.3 实时仿真程序中进行网络数据收发的测试
• §5.4 小结
• 第六章 工作总结与展望
• 附录
• 致谢
• 参考文献