Linux嵌入式操作系统的实时性研究

论文摘要

Linux以其开放源码、功能强大、模块化设计、支持多种硬件平台、函数接口符合国际和工业标准等优点,被广泛的应用于构造嵌入式实时操作系统。但由于Linux是一个通用操作系统,实时性能方面的不足严重的限制了它在嵌入式领域的发展。Linux2.4内核以其小巧精悍、稳定可靠的特点占据着很大一部分嵌入式Linux市场,因此改进Linux2.4内核的可抢占性来提高它的实时性能是非常重要的。本文以Linux2.4.36内核源码为基础,分析Linux内核的原理结构,详细分析影响Linux内核实时性能的因素,提出了一个改进Linux内核实时性的方案,该方案的主要思路是修改标准Linux内核,使其具有内核抢占能力,这样系统即使处于内核态时也可以进行进程调度,从而尽快对更高优先级进程做出响应。为了避免内核抢占带来的同步问题,该方案还实现了内核抢占禁区来保护系统能够安全的进行内核抢占,主要办法是修改自旋锁、中断处理模块、调度模块等内核机制。本文还设计并实现了一测试Linux系统实时性能的方案,并使用该测试方案测试了标准内核和抢占内核的系统延迟时间,测试结果表明修改后的内核实时性能得到了有效改善。最后,本文对改造Linux实时内核的方案进行了总结,并指出了进一步的研究工作,如细化临界区和在多CPU系统上进行实验测试等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 嵌入式系统简介
• 1.3 Linux内核实时性改进研究现状
• 1.4 主要研究内容及技术路线
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 实时操作系统与实时Linux系统
• 2.1 实时操作系统简介
• 2.2 Linux系统简介
• 2.3 Linux的内核体系结构
• 2.3.1 进程调度
• 2.3.2 内存管理
• 2.3.3 网络接口
• 2.3.4 进程间通信
• 2.3.5 虚拟文件系统
• 2.4 Linux用于实时操作系统的优点与缺陷
• 2.5 Linux实时化改造的典型方法
• 2.5.1 双核方法
• 2.5.2 修改核方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 Linux内核抢占实时化改造
• 3.1 影响Linux实时性能的主要因素
• 3.1.1 调度算法
• 3.1.2 内核时钟机制
• 3.1.3 内存管理
• 3.1.4 内核抢占
• 3.2 内核可抢占的实现方案
• 3.2.1 设置内核抢占禁区
• 3.2.2 增加内核抢占点
• 3.3 内核抢占的具体实现
• 3.3.1 增加抢占计数器
• 3.3.2 修改锁
• 3.3.3 修改schedule（）函数
• IRQ（）函数'>3.3.4 修改do_IRQ（）函数
• 3.3.5 修改中断返回处的处理流程
• 3.4 本章小结
• 第四章 实时性测试实验及分析
• 4.1 测试程序原理概述
• 4.2 测试程序采取的调度策略
• 4.3 利用时间戳计数器（TSC）获得精确时间
• 4.4 测试程序的关键代码
• 4.5 测试结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录