嵌入式实时操作系统研究

论文摘要

随着后PC时代的来临,嵌入式实时操作系统在自动控制、航空航天、消费电子、国防军事等领域发挥着越来越重要的作用。然而国内相关的研究较少,嵌入式实时操作系统基本上依赖于国外,核心技术上受制于人。因此,在实验室的十一五国防重点等多个军工项目的需求下,迫切需要研究并开发自主的嵌入式实时操作系统。针对嵌入式系统的特点,本文对嵌入式实时操作系统进行了全面的研究,在操作系统的体系结构、任务管理、内存管理和实时性方面做了深入分析和研究,构建了一个新的嵌入式实时操作系统。首先,对各种操作系统体系结构和嵌入式系统特点的进行研究分析,采用了半序的层次结构。同时从软件工程角度,采用模块化的设计方法。有效保证了操作系统的可靠性和灵活性。其次,通过对任务状态更为明确、细致的划分,采用任务有限状态机更好地实现任务的状态管理。并通过信号量、消息和事件标志等多种方式实现任务的通信、同步和互斥。接着,在内存管理上面,采用内存块大小固定的动态内存管理方案,在搜索空闲内存块上采用首次适应算法实现。然后,针对开放的嵌入式实时系统的特点,提出了一种基于反馈控制的动态集成调度算法。该算法将简单反馈控制与任务准入/回归控制、可达/夭折等策略相结合,设计了新的动态调度框架。该框架适用于对任务的多种特征参数的综合。并从截止期错失率、对关键任务的优先执行能力和CPU有效利用率三个方面,分析了算法的性能。实验结果表明,该算法与最早截止期优先和固定优先级算法相比具有更好的性能。最后,在中断管理方面,本文结合平台处理器的特点,采用独立的中断堆栈区,节省了系统内存占有率。同时,通过处理器工作模式的切换,更好地实现操作系统在ARM平台下的多层中断嵌套。本文设计了一个具有一定实时性的嵌入式实时操作系统,为嵌入式软件的开发提供了一种新的平台。达到减轻嵌入式软件设计的复杂性,提高可维护性、可靠性、灵活性和自主创新能力的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 嵌入式实时系统综述
• 1.2.1 实时系统与实时操作系统
• 1.2.2 实时操作系统与通用操作系统的区别
• 1.2.3 实时系统的结构
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 ERTOS 的研究与设计
• 2.1 体系结构
• 2.1.1 简单结构
• 2.1.2 单体内核结构
• 2.1.3 层次结构
• 2.1.4 微内核
• 2.1.5 外核结构
• 2.1.6 体系结构分析
• 2.1.7 体系结构的发展趋势
• 2.1.8 ERTOS 结构设计
• 2.2 任务管理
• 2.2.1 任务概念
• 2.2.2 任务有限状态机
• 2.3 任务间的通信与同步
• 2.3.1 信号量（Semaphore）
• 2.3.2 消息队列（Message queue）
• 2.3.3 事件标志（Eventflag）
• 2.4 内存管理
• 2.4.1 内存管理方案
• 2.4.2 内存结构
• 2.4.3 内存分配算法
• 2.5 本章小结
• 3 ERTOS 中对实时性的考虑
• 3.1 任务调度
• 3.1.1 常见任务调度算法
• 3.1.2 系统分析
• 3.1.3 问题模型
• 3.1.4 调度策略
• 3.1.5 性能分析
• 3.2 中断的快速响应
• 3.2.1 中断上下文切换
• 3.2.2 ERTOS 对可重入中断的支持
• 3.2.3 在ARM 处理器上的中断上下文切换
• 3.3 本章小结
• 4 实验
• 4.1 实验环境
• 4.1.1 硬件环境
• 4.1.2 软件环境
• 4.2 仿真实验
• 4.2.1 实验设计
• 4.2.2 实验结果比较及分析
• 4.2.3 仿真实验结论
• 4.3 ERTOS 功能测试
• 4.3.1 测试用例设计
• 4.3.2 功能测试结果
• 4.4 ERTOS 性能测试
• 4.4.1 测试指标
• 4.4.2 性能测试原理
• 4.4.3 性能测试步骤及结果
• 4.5 本章小结
• 5 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 存在问题和系统展望
• 5.2.1 系统存在的问题
• 5.2.2 系统展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录