嵌入式实时操作系统的进程间通信

论文摘要

随着嵌入式系统应用范围的不断扩大,功能和性能的不断升级,各个应用领域对嵌入式系统的要求越来越高,嵌入式实时操作系统逐渐被引入到嵌入式系统中。同时微内核技术开始应用在嵌入式实时操作系统开发过程中,越来越多的RTOS采用微内核体系结构,这就对影响RTOS性能最主要的因素——进程间通信（IPC）提出了严格的要求。ARTs-OS是一个自主开发的基于微内核结构的嵌入式实时操作系统。论文以ARTs-OS的研发为背景,讨论了基于微内核结构的嵌入式实时操作系统的体系结构,分析了流行的微内核结构的主要特点,提出了改造微内核的方案。通过对RTOS微内核体系结构的研究,指出了进程间通信是对其性能影响最重要的因素。ARTs-OS的IPC中最重要的是消息通信机制,在研究了微内核结构RTOS中影响消息传递性能的各种因素后,提出了一种改进的消息实现方法,该方法改变了消息队列的存储结构,减少了内存间的复制,提高了消息的传递效率,并对这种消息机制的性能、同步性、安全性进行了分析。对于信号量通信机制,讨论了传统信号量的实现以及其中存在的优先级反转的问题,介绍了常见的解决优先级反转的方法:优先级继承。对于信号机制,主要分析了信号的实时性的不足并提出了改造的方案,提出了信号队列的概念。对于内存共享,对其存储结构提出了一种改造方案,把共享的内存从用户空间转移到系统空间,从而提供共享内存的执行性能。对于管道,分析了管道的实现过程,并提出了管道的不足。最后对ARTs-OS中IPC设计和实现进行了总结,并对嵌入式实时操作系统中IPC的研究和发展方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 嵌入式实时操作系统的定义和特征
• 1.2 嵌入式实时操作系统的发展和研究现状
• 1.3 微内核系统结构
• 1.4 嵌入式实时操作系统的进程间通信
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 ARTs-OS 中进程间通信设计
• 2.1 ARTs-OS 的系统结构
• 2.2 ARTs-OS 的内核结构
• 2.3 ARTs-OS 对微内核结构的改进
• 2.4 ARTs-OS 中IPC 模块的分析
• 2.5 本章小结
• 3 ARTs-OS 的消息机制
• 3.1 微内核中的消息机制
• 3.2 传统RTOS 的消息传递机制
• 3.3 ARTs-OS 对消息机制的改进
• 3.4 ARTs-OS 消息机制的管理
• 3.5 本章小结
• 4 ARTs-OS 的信号量
• 4.1 信号量的概念
• 4.2 传统信号量的实现
• 4.3 优先级反转和优先级继承
• 4.4 ARTs-OS 中信号量实现算法
• 4.5 ARTs-OS 信号量的主要数据结构和接口
• 4.6 本章小结
• 5 ARTs-OS 的其他IPC 机制
• 5.1 ARTs-OS 的信号机制
• 5.2 ARTs-OS 的内存共享
• 5.3 ARTs-OS 的管道
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献