Linux嵌入式操作系统的实时性研究
嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性研究
嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性研究摘要：研究了如何提高嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性问题。
关键词：嵌入式实时操作系统实时性可靠性抢占式调度微内核中断1 抢占式调度在嵌入式实时操作系统(RTOS)中，线程按照其优先级顺序执行。
如果一个高优先级的线程准备运行时，将在一个短的、有限时间间隔内从任何可能正在运行的低优先级进程接管CPU。
另外，高优先级的线程能够不被中断地运行，直到已经完成了需要做的事情。
这种方法就是抢占式调度，保证了高优先级线程始终满足其最终期限。
保证高优先级的进程和线程的同时确保不会使其它进程处于“饥饿”状态的关键是要执行进程限制。
通过对执行进程调整或在响应加载的过程中进程控制，开发人员能够限制这些活动消耗的CPU时间比例，并支持低优先级进程获得对CPU的共享。
抢占式调度仅在高优先级线程在一个短的、有限时间段内抢占低优先级线程的情况下有效，否则系统将不可能预测要花费多长时间来执行一个给定的操作。
可以将线程看作是最小的“执行单元”，而将进程看作是一个或多个线程的“容器”，进程定义了线程将要在其中执行的地址空间。
将所有的线程放在几个大的进程中将是错误的，因为线程提供的切换速度更快。
虽然线程能实现并行处理优势因而适合于某些设计，但是将一个应用分成多个内存保护的进程使得代码更容易调试，提供了更好的错误隔离和恢复能力，并允许系统进行新功能的动态升级。
2 可抢占的内核在RTOS中，内核操作是可抢占的。
尽管仍然会存在一些时间窗口，在这些时间窗口中可能没有抢占，但这些时间间隔应该是相当短暂的，通常在几百纳秒。
另外必须有一个关于抢占被推迟或中断被禁止的时间上限，这样开发者可以确定最坏情形下的等待时间。
为实现此目标，操作系统内核需尽可能简洁，只有具有较短执行路径的服务才被包含在内核中，任何需大量工作的操作必须被安排到外部进程或线程。
这种方法有助于通过内核确保最长的不可抢占代码路径具有一个时间上限。
嵌入式Linux实时性研究与探索
嵌入式Linux实时性研究与探索摘要：嵌入式系统是种功能专一、设计精巧、与设备融为一体的计算机系统，是后pc时代的技术核心。
linux作为一个通用操作系统，需要在实时性上取得进一步的发展，对此提出了3个方面的解决方法。
关键词：嵌入式；操作系统；实时性中图分类号tp2 文献标识码a 文章编号1674-6708(2010)29-0185-021、现状近年来，伴随着计算技术和通信技术的迅速发展，特别是互联网技术的迅速普及以及3c(计算机、通信、消费电子)合为一体的加速，微型化和专业化已经成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的中坚力量。
linttx自从1991年问世到现在，在短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，能够在x86、alpha、spare、mips、ppc、motorola、nec、arm等多种硬件平台运行，并且开放源代码和定制，能够和各种传统的商业操作系统分庭抗争。
越来越多的企业和研发机构都将注意力转向嵌入式linux 的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内获得飞速发展。
嵌入式系统是种功能专一、设计精巧、与设备融为一体的计算机系统，是后pc时代的技术核心。
目前，以嵌入式的系统为基础的开发和应用已经如火如荼，它的身影在很多智能信息产品中无处不在，这同时也说明了嵌入式系统已经变得越来越复杂，嵌入式linux正在并越来越多地受到人们的关注。
到目前为止，已经有过半数的嵌入式rtos选择linux。
2、优势为什么嵌入式linux这么受关注呢?因为嵌入式linux具有以下优势：1)linux是unix的一个变种，在使用linux过程中可以继续发挥软件工程师们在unix系统上的开发经验，并且相对于其他的rtos 开发系统来说，软件工程师们对嵌入式linux的接受速度会更快，相对来说资料、信息和相互交流的机会也丰富得多。
2)实用嵌入式linux和供应商没有关系，由于开放的linux技术来源是一致的、标准的，这样就规避了由单一的传统的供应商带来的产品不能连续发展的风险。
嵌入式系统中的实时操作系统研究与应用
嵌入式系统中的实时操作系统研究与应用嵌入式系统是指被嵌入在其他设备中的电子计算系统。
这种系统通常具有小巧、低功耗、低成本等特点。
嵌入式系统被广泛运用于智能家居、智能交通、医疗器械、工业控制等领域。
嵌入式系统最重要的特点之一就是实时性。
实时性是指系统能够在预定的时间内，按照既定的要求完成任务。
因此，在嵌入式系统中，实时操作系统是非常重要的。
本文将围绕嵌入式系统中的实时操作系统进行研究探讨。
一、实时操作系统概述实时操作系统（RTOS）是嵌入式系统中最常见的操作系统类型之一。
RTOS是一种使得系统能够及时响应外部事件，按时完成任务的操作系统。
它具有高度的可预测性和可靠性。
RTOS常被运用于需要实时响应的设备中，如航空飞行控制系统、医疗监测设备、智能交通系统等。
与一般的操作系统不同，RTOS需要具备以下特点：1.响应速度快：实时操作系统需要及时响应任务，而且响应时间必须小于任务的时间限制。
2.可预测性：实时操作系统需要保证任务在规定时间内完成，因此必须具有可预测性。
3.可靠性：RTOS需要保证任务的可靠性，确保任务能够按时完成，不出错。
4.实时性：RTOS需要保证系统实时性，能够在规定时间内完成任务。
二、实时系统的分类按照实时性的要求，实时系统可以分为硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统：硬实时系统对任务的响应时间有极高的要求，任务必须在严格的时间限制内完成。
举例来说，发生在航空飞行控制系统中的事件必须在极短的时间内得到响应，否则将带来灾难性的后果。
软实时系统：软实时系统对任务的响应时间要求有所放宽，任务可以在更广泛的时间范围内完成。
虽然并不是所有任务都必须在规定时间内得到响应，但是任务响应的时间超出一定的范围，也会对系统造成灾难性的后果。
通常，软实时系统和硬实时系统一同出现在一个复杂的嵌入式系统中。
三、实时操作系统的调度机制实时操作系统可以采用不同的调度策略。
常见的调度策略如下：1.先进先出调度（FIFO）：按照任务的到来顺序进行调度。
嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性研究
２８ ０ 弃８月 ０
电 脑 学 习
第４ 期
嵌 入式 实 时操 作 系统 的实时性和可 靠性研 究 木
陶 甲寅 一 刘 晓魁 一
摘 要 ：研究 了如何： 嵌入 式实 时操作 系统 实 时性
１抢 占式 调度
在 嵌入 式 实时 操作 系统 （ ｒ ）中 ， ＲＩ ＤＳ 线程 按照 其优 先 级顺序执行 。 果一个 高优先 级 的线 程准备运 行时， 在一 如 将 个短的、有 限时间 间隔 内从任何 可 能正在运 行的低优 先级 进 程接管 Ｃ Ｕ Ｐ 。另外 ，高优 先 级的线 程能够 不被中断地 运 行， 直到 已经 完成 了需要做 的事情 。 这种 方法就是抢 占式调
度 ， 证 了 高优 先 级 线 程 始 终 满 足 其 最 终 期 限 。 保
２１优 先 级 继 承 ．
假 定系统有三 个进程见 图 １ Ａ、 、 ： Ｂ Ｃ。现假 定 Ａ已经请 求 Ｃ执 行一个计算 ， 在这期 间， 而 Ｂ突然 需要 Ｃ的服务 。因 为 Ｂ拥 有 比 Ａ更 高的优先 级 ， 以一 般会认 为 Ｃ将立 即挂 所 起 Ａ的请求 并将转 向为 Ｂ服 务。但 是实 际情况 并非如此 ， 因为 Ｃ比 Ｂ具 有更 高的优先 级， 所以 Ｂ不 能阻止 Ｃ完 成 当
２２ 中 断 处 理 ．
军宝
误隔离和恢复 能力， 并允许系统 进行新 功能 的动态升 级 。
２ 可抢 占的 内核
在 ＲＯ Ｔ Ｓ中， 内核操作是 可抢 占的。尽管仍然会 存在一 些 时间窗 口， 在这些 时间窗 口中可 能没有抢 占， 但这些 时 间 间隔应 该是相 当短暂 的 ， 通常在几 百纳秒 。 另外必须有 一个
执行的地址 空间 。将所 有的 线程放在 几个 大 的进程 中将是 错误的 ， 因为线程提 供 的切换速 度更快 。 虽然线程 能实现 并
嵌入式Linux实时性的分析与研究
程的优先级设置成 比所有 的普 通进程 优先级都 高 ， 以实时进 所 程总是先于普通进程运行 ， 但这 只是软实时 ， 未能满 足高 实时性
要求的应用。而且 ， 所有 的进 程不 管是实时进 程还是普 通进程
有丰富的通信机 制等 Ｊ但是 ， ， 还没有 满 足嵌 入式 系统所 要求
的 实 时 性 。 分析 了实 时系 统 的 特点 和 Ｌｎ ｘ内 核 在 实 时 应 用 方 ｉｕ
Ｈｅ ｌ ｕａ Ｂｉｄ ｙ ｎ ｉ ｎｙ ｎ ｕ ａ
● ● ｆ
（ ｏｅｅｏ ｎ ｉｅ ｉｇ ＡｒＦ ｒ ｎ ｉ ｅｎ ｎｖｒｔ，ｉ ｎ７ ０３ ，ｈａｔｉＣ ｉａ Ｃ ｌｇ ｌ ｆＥ ｇｎｅｎ ，ｉ ｏｃ Ｅ ｇｎ ｒ ｇＵ ｉ ｓｙＸ ＇ １ ０ ８ Ｓ ａｒ ， ｈｎ ） ｒ ｅ ｅｉ ｅｉ ａ ￣ Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｂ ｓｄ ｏ ｅａ ａｙ ｉ ｏ ｅｌ ｔｔ ｎｏ ｍｂ ｄ ｅ ｉｕ ｎｒａ： ｍｅａ ｐｉａｉｎ －ｅｍｅｈ ｄ ｍｐ ｖ ｈ ｅ１ｔ ａ ａ ｉ ａｅ ｎｔ ｎ ｌｓｓ ｆ ｈ ｉ ａｉ ｆ ｈ ｔ ｍｉ ｏ ｅ ｅ ｄ ｄ Ｌｎ ｘｉ ｅｌｔ ｐ ｌ ｔ ｔ ｔｏ ｓｔ ｉ ｒ ｅｔｅｒａ． ｍｅｃ ｐ ｂｌ ｉ ｃ ｏ ，ｈ Ｏ ｏ ｉ —
统， 其系统 目标为较好 的平均响应时问和较高 的吞吐量 ， 而实时
系统则 主要 考虑任务的按 时完成 、 量减少进 程运行 的不 可预 尽 测性等。虽 然 ，ｉ ｘ Ｌｎ 逐渐加入 了一些 实时处 理 的支 持 ， ｕ 包括支 持大部 分的 Ｐ ＳＸ标准 中 的实时功 能 ， ＯＩ 支持 多任 务 多线程 ， 具
都放在一个就绪队列里 ， 影响实时进程 的响应。 这将
面的不足 的基础上 ， 对影 响操 作系统 实时性 能的若 干方 面进 针 行研究 ， 提出了解 决方 案。
嵌入式Linux操作系统实时性的分析与研究
２ Ｌｎｘ 实时性方面的局限 ｉ 在 ｕ
Ｌｎ ｘ 然 已经 被 成 功 的 应 用到 了 掌 上 电 ｉｕ 虽 脑 ， 动电话 ， 移 音频 娱乐等 设备 。但是 在对 实 时性要 求较高 的领域如航 空 ， 医疗 汽车 ， 业 工 控制等领域还是 无法直 接应 用。目前的 Ｌｎ ｘ ｉｕ 虽然提供 了一些实时处 理的功 能 ， 包括 Ｐ Ｉ ＯＳ Ｘ 中的实时 功能 ， 支持多任务 多线程 ， 有丰富 也 的通信机制 。也 提出了实时 调度策略 ， 并且 在 最近的 Ｌ ｎ ｘ ． ｉ ｕ ２ ６版本 中， ｉ ｕ Ｌ ｎ ｘ内核可以被 抢 占。即 使这样 ， 对于要求较 高的实时 性来说 还 有 一 些 差 距 。作 为一 个 实时 操 作 系 统 ， Ｌｎ ｘ仍然存在如下局限 ： ｉｕ （） １在定时器方面 ， 有下列 儿方面缺陷 ： 第 Ｌ ｎ ｘ的周期模式定时器频率仅为ｌ ０ ｚ ｉｕ Ｈ ， ０ 远 不能满 足多种实时应 用的要求。第 一 ， 二 软定 时 由时钟定时 器完成 ， 当软定 时器较 多时 ， 势 必 引起 共享时钟 定时 器的冲突 。第三 ， ｉ ｕ Ｌｎ ｘ 中断句柄不 可调度 ， 在实时 系统中 ， 望能 但 期 在一 个可 调度整体内处理这些 中断句柄 ， 从而 能更有效 的区分不同实时任务 的紧迫 度 ， 分配 不同的优先级 。因此 ， 单纯缩短 时间片在对实 时性能 严格要 求的场合是不受欢迎 的。 第四 ， 增加系统负荷。 （） ｉｕ ２Ｌｎ ｘ进程采用 多级轮 转调度算法 ， 该
维普资讯
Ｑ ！ Ｑ Ｑ ：
Ｓｃ ｅｎ ａｎｄ ｉ ｃｅ Ｔｅｃｈｎ ｏｇ Ｉ ｎｏｖａ ｉ Ｈｅｒ Ｉ ｏｌ ｙ ｎ ｔ ｏｎ ａｄ
Ｔ 技 术
嵌入式 Ｉ ｎ ｘ操作 系统实时性 的分析与研 究 ＿ ｕ ｉ
嵌入式Linux操作系统实时性的研究
、
引言
或 间接 唤起 的 ，它是进程调度 的重要依据 。Ｌｎ ｘ的周期模 ｉｕ
式 定 时 器 频 率 仅 为 １０ ，使得 其 时 间 粒 度 过 大 ，加 大 了任 ０ Ｈｚ 务 响应 延迟 ，远不能满足 实时应用的要求 。 ３ ｉｕ ．Ｌｎ ｘ采用对 临界区操作 时屏蔽 中断的方式 ，在 中 断 处理 中是不允许进行任 务调度的 ， 从而 抑制 了系统及时响 应 外部操作 的能力 。 ４ ．缺 乏有 效的实时任务调度机 制和调度算法 。 ５ ｉｕ ．Ｌｎ ｘ虽然给 实时进程提供 了较 高的优先 级 ，但是 没有加 入时间 限制 。例如 ：完成 的最 后期限 、应在多长时 间
响。
常要求 在一个特定 的时刻进行 任务切换 ， 计时的错 误将导致 背 离计 划的调度 ，引起任务释放抖 动。标 准 Ｌｎ ｘ系统 时钟 ｉｕ 精度太 过粗糙 ，时钟 中断周期为 １ ｍｓ ０ ，不能满足特定嵌入 式应用 领域 中对于 响应 时间精度的要求 。 因此 ， 实时 Ｌｎ ｘ 在 ｉｕ 应用 中，需要细化其 时钟粒 度 ， 具体有 两种 方式可 以解决时 钟粒度 问题 ： （ ）通过直接修 改内核定时参数 Ｈｚ的初 值来细化时钟 １ 粒度 ，如将 标准 Ｌ ｎ ｘ中内核定时参数 Ｈ ｉｕ ｚ改为 １０ ０ ０ ０ ，则
时 钟 粒 度 可 以达 到 １０ ｓ ０ ￣ ，这 种 方 式 虽 然 会 增 加 一 些 系 统 开
三 、Ｌ ｎ ｘ 在 实 时 应 用 中的 技 术 障碍 ｉｕ 尽管 Ｌｎ ｘ本 身提 供了一些支持 实时性 的机制 ， ｉｕ 但是 由 于其最初的设计 目标为通用 分时操作系统 ， 并且 Ｌｎ ｘ系统 ｉｕ 是 以高的吞吐量和 公平 性为追求 目标 ， 基本上没有考虑 实时 应用所要满足 的时 间约束 ， 它只是提供 了一 些相对简单 的任 务调度策略 。因此 ，实时性 问题是将 Ｌｎ ｘ应用于嵌入式系 ｉｕ 统 开 发 的 一 大 障 碍 ， 法 在 硬 实 时 系 统 中 得 到应 用 ， 为 ～ 无 作 个实时操作系统 ，Ｌｎ ｘ仍然存在 如下缺陷 ： ｉｕ １ ｉｕ ．Ｌｎ ｘ的内核是不可抢 占的。Ｌｎ ｘ分 为用户态和核 ｉｕ
基于嵌入式应用的Linux内核实时性改进研究
摘 要 ： 对 Ｌｎ ｘ内 核 存 在 的 实 时 性 问题 ， 实 时操 作 系统 的 ５ 性 能 指 标 出发 ， 析 了 ２６内核 实 时 性 能 的根 本 性 制 约 因 针 ｉ ｕ 从 个 分 ．
Ｔ ｒ ｕ ｈ ｒ ａ ｆ ｅ ｓｉ ｇ ｒ ｓ ｏ ｓ ｍｅｏ ａ — ｍ ｅｔ ｓ ｎ ｉａ ｅ ｏｂ ｈ ｒ ｎ ｄ ｌｒ ｅ ｙ ａ ｄ ｍｅ ｔ ｅｉ ｉ ａ ｘ ｅ ｔ ｔ ｎ ｈ ｏ ｇ ｅ ｌｅ ｌ ｅ ｔ ， ｅ ｐ ｎ ｅ ｔ ｆ ｅ ｌ ｉ ａ ｋ ｉ ｉ ｄ ｃ ｔ ｄ ｔ ｅｓ ｏ ｔ ｅ ｇ ｌ ｎ ｅ ｓ ｈ ｔ ｌ ｐ ｃａ ｉ ． ｔ ｎ ｉ ｒ ｔ ｓ ｅ ａ ｔ ｎ ｉ ｅ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ Ｌ ｎ ｘ ２ ６ｋ ｍ ｅ； ｒ ａ —ｉ ； ｅ ｅ ｄ ｄ ｉ ｔｒ ｕ ｔ ａ ｅ ｃ ； ｓ ｈ ｄ ｌ ｇ ｓｒ ｔｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｕ ． ｅ ｌ ｅ ｌ ｍｅ ｔ ｍｂ ｄ ｅ ； ｎ ｅ ｒ ｐ ｔ ｎ ｙ ｌ ｃ ｅ ｕ ｉ ｔａ ｅ ｎ ｙ
ｒ ａ—ｉ ｅ ｔｓ ｃ ｄ ｉ ｇ ａ ｇ ｒｔ ｍ ， ｎｅ ｉ ｅ ｒ ｅ ｐｏ ｅ ａ ｄ ｗ ｎｔｒｕｐ ｒ ｔｏ ｒ ｍ ｐ ｓｚ ｄ ａ ｄ ａ ｎ ｃ ｄｅ ｒ ｖｅ ｏｕ ． ｅ ｌｔｍ ａ ｋ ｓ ｈｅ ｕｌｎ ｌ ｏ ｉｈ ｗ ｎｔｒｕｐｔ ｓ ｎｓ ｎ ｎｅ ｉ ｅ ｒ ｔｏｐｅａ ｉ ｎｓａ ｅ ｅ ｈａ ｉｅ ｎ ｍ ｉ ｏ ｓａ ｅｇｉ ｎ ｔ ｒ
试 。 经 ｒａ ｅｌ 试 结 果 表 明 ， 体 系 中 实 时任 务 的 响 应 速 度 显 著 提 高 ， 到 了预 期 的研 究 目的 。 ｅｌ ｅ 测 ｆ 新 达 关 键 词 ： ｉ ｘ２６内核 ； 实 时 性 ； 嵌 入 式 ； 中 断 延 迟 ； 调 度 策 略 Ｌｎ ． ｕ 中 图 法 分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ３６ 文献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０７２ （０ １０ —１ １ ４ １０—０ ４ ２ １） １０ ２— ０
基于Linux2.6嵌入式系统实时性研究
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｙ ｒ ：Ｅｍｂ ｄ ｅ ；Ｒｅ ｌ ｉ ｅ ｏ ａ ｃ ；Ｋｅｎ ｌ ｅｄｄ ａ—ｔ ｍｅ Ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｆ ｍ ｒ ｅ
１概 述
的， 内核就可以在任何 时间抢 占正在执行 的任务 。在 Ｌ ｘ． ｉ ２ ６系
（调 ） 与 随着计算机 、 通信等技术 的迅速发展 ， 工业 自动化的水平 也 统 中最显著 的特点就 是引入 了内嵌 ０ １ 度算 法 的调 度器 ， ２４调 度 器 相 比 ， 论 是 在 调 度 性 能 、 时 性 ． 核 抢 占 ， 是 ． 不 实 、 内 还 越来越高 。嵌入式系统 的应用在其 中起到 了举足轻重的作用 ， 同
嵌入式Linux操作系统的实时性研究
嵌 入 式 Ｌ ｎ ｘ操作 系统 的 实时性研 究 ｉｕ
、
马季 兰 ，刘 勇
（ 太原理工大学 计算机与软件学院， 山西 太原 ００２ ） ３０ ４
摘 要： 随着嵌 入 式系 统在 实时领 域 的广泛 应用 ， 对嵌入 式 操 作 系 统在 实时 性 方 面提 出了新 的要求 。作为 构 建 嵌 入式 操
（ ｏｅ ｅ ｆ ｏ ｕｅ ｎ ｏｔ ｒ ， ａ ｕｎＵｎｖｒ ｔ ｆ ｅｈｏ ｇ ， ａ ｕ ３ ０ ４ Ｃ ｉ ） Ｃ ｌｇ ｍｐ ｔｒ ｄＳ ｆ ｅ Ｔ ｉ ａ ｉ ｓ ｙｏ ｃｎ ｂ ｙ Ｔ ｉ ａ ０ ０２ ， ｈｎ ｌ ｏＣ ａ ｗａ ｙ ｅｉ Ｔ ｙｎ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｌｎ ｔ ｐ ｌ ａｉｎ ｍｂ ｄ ｅ ｅ ｌ ｉ ｅｓ ｓｅ ．ｔｅｎ 、 ｅｄ Ｗａ ｕ ｏ ｗａ ｄｔ ｐ ｒｔｎ ｙ ｔ ｅ ｌ ｔ ｅ ｓｒ ｃ ： ｏ ｇｗｉｈ ａ ｐｉ ｔ ｓｏｆ ｃ ｏ ｅ ｅ ｄ ｄｒａ —ｔ ｙｔｍ ｍ ｈ ｅ】ｎ ｅ Ｓｐ ｔｆｒ ｒ ｏ ｅａｉｇｓｓｅ ｉ ｒａ — ｉ ．Ｔｈ ｌ ｒ ｏ ｍ ｎ ｍ ｅ ｄｓｄ ａ ｔｇ ｆｓａ ｄ ｒ Ｌｉｕ ｒａ — ｔ ｓ ｅ ａｃ ｕ ｔ ｏ ．Ｔｈ ｒ ｅ ｍａ ｙ ｇ ｏ ｅ ｈ ｉｕ ｓｆｒｒａ — ｔｍｅＬｉｕ ｉａ ｖ ｎａ ｅｏ ｔｎ ａｄ ｎ ｘ ｉ ｅ ｌ ｉ ｍｕ ｔｂ ｃｏ ｎｅ ｆｒ ｎ ｍｅ ｄ ｅｅａ ｎ ｏ ｄ ｔｃ ｎｑ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｘ．Ｓ ｍｅａ ｅ ｒ ｏ ｏ ｒ
Ｏ 引 言
随着以嵌入式 为 标 志 的后 Ｐ Ｃ时代 到来 ， 入式 嵌 系统与 Ｉｔｍｅ 结合 ， 嵌入 式 操作 系统 领域 的 角逐 ｎｅ ｔ 在 中 ，ｉ ） Ｌｎ 【 ｕ 这个诞生 于 Ｉｔ ｔ ｎｅ 的操作 系统 以其优 良的 ｍｅ 特 性成为 了嵌人式操 作系统的宠儿 。笔者围绕把标 准
嵌入式Linux操作系统的实时技术分析
Ｘｉ ｎ ｅ Ｐｉ ｇ Ｃｈ ｎ Ｍ ｉ ｎ ｅ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒａ ａ ｚ ｓ ｔｅ ａ ｖｎａ ｅ ｆ ｅ ｂ ｄ ｅ ｉｕ ｐ ｒｔ ｎ ｓ ｓ ｍ， ｎ ｅ ｒ ｅ ｔ ｔｅ ｔ ｈ ｉ ｌｂ ｒｉ ｓ ｆ － ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｎ ｌ ｅ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓ ｏ ｍ ｅ ｄ ｄ Ｌ ｎ ｘ ｏ ｅａｉ ｙ ｔ ａ ｄ ｒｐｅ ｎｓ ｈ ｅ ｎｃ ａｒ ｒ ｏ Ｌ ｙ ｏ ｅ ｓ ｃ ａ ｅ ｒ
Ｍｏｏ ｌ ｔ ｏａ公 司 的 Ｐ ｗ ｒ Ｃ Ｐ 以 及 Ｉｔ ｒ ｏ ｅ Ｃ Ｕ Ｐ ｎｅ ｌ公 司 的 Ｓｒｎ ｔ ｇ ｏ
式操作 系统相 比， 嵌入式 Ｌｎｘ具有一些独特 的优势 ， ｉｕ 主要
表 现 为 以下 几 方 面 ： （ ） 发成 本 低 。Ｌｎｘ 作 系 统 不 仅 性 能优 良， 且 １开 ｉｕ 操 而 不 需要 版 权 费 ， 买 费用 只 需 支 付 媒 介 成 本 。 时 ， ｉ ｘ是 购 同 Ｌｎ ｕ 自由软 件 ， 开源 代 码 ， 种 不 同领 域 和 不 同 层 次 的 用 户 都 公 各
台。
保 留了 Ｈｎｘ以整体式 结构为基础 ， ｕ 多任务多进 程 的特 点，
满 足 了对 嵌 入 式 系 统 高 度 简 练 、 面 友 好 、 量 可 靠 、 用 界 质 应 广泛 、 开发、 任务 ， 易 多 并且 价格 低 廉 的要 求 。 其 他 的嵌 入 与
操作系统的实时系统与嵌入式系统
操作系统的实时系统与嵌入式系统操作系统（Operating System）是计算机系统中的一个重要组成部分，它负责管理和控制计算机硬件和软件资源，为应用程序提供良好的运行环境。
在众多的操作系统类型中，实时系统和嵌入式系统是两个特殊的领域，它们具有独特的特点和应用场景。
本文将详细介绍操作系统中的实时系统和嵌入式系统，并探讨它们的区别以及各自的特点。
一、实时系统实时系统是一种对时间要求非常严格的系统。
它需要在规定的时间内完成某种任务，并能够保证任务的响应时间不超过预定的时间限制。
实时系统广泛应用于航空航天、交通控制、医疗设备、工业自动化等领域，其中最典型的实时系统是飞行控制系统。
实时系统分为硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统要求任务必须在严格的时间限制内完成，一旦超过了规定的时间限制，系统将会出现严重的后果。
例如飞行控制系统，如果任务在规定的时间内无法完成，可能会导致飞机失控或者发生事故。
相比之下，软实时系统对时间限制要求相对较宽松，可以适当地容忍一些时间延迟，但仍需保证任务能在约定的时间范围内完成。
实时系统的核心问题是任务调度。
为了保证任务的及时响应和完成，实时系统采用了各种任务调度算法，例如周期性调度算法、优先级调度算法等。
这些调度算法能够根据任务的重要性和时间限制，合理地安排任务的执行次序，从而提高了实时系统的可靠性和效率。
二、嵌入式系统嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备或系统内部，与之密切结合。
嵌入式系统广泛应用于智能手机、家电、汽车电子、工业控制等领域。
与通用计算机系统相比，嵌入式系统通常具有体积小、功耗低、实时性强等特点。
嵌入式系统的特点决定了它需要特定的操作系统来管理和控制。
嵌入式操作系统通常具有快速启动、高效运行、低功耗等特性。
同时，嵌入式操作系统通常会针对特定设备和需求进行定制化开发，以适应不同嵌入式系统的要求。
常见的嵌入式操作系统包括嵌入式Linux、嵌入式Windows、FreeRTOS等。
嵌入式系统中的实时操作系统设计与实现
嵌入式系统中的实时操作系统设计与实现嵌入式系统已经成为了现代科技的重要领域。
它们被用于各种规模和领域，从个人电子设备到大规模制造业设备，以及军事和航空航天应用等。
嵌入式系统的核心是实时操作系统（RTOS），它可以满足实时性和低功耗方面的需求。
在本文中，我们将探讨RTOS的设计和实现，以及它如何在嵌入式系统中发挥重要作用。
嵌入式系统中的RTOSRTOS是一种操作系统，其主要目的是在一个给定时间内，使系统能够在预期的时间内响应外部事件。
在嵌入式系统中，RTOS 用于管理各种任务和进程。
这些任务和进程通常被称为线程，它们可以异步执行，但在执行时会按照一定的优先级进行排序。
一些任务可能需要高优先级或实时响应；而其他一些任务可能较为简单，可以使用低优先级运行。
RTOS的优点使用RTOS来设计和实现嵌入式系统可以带来许多优势。
以下是一些主要优势：1. 支持多任务：RTOS可以支持多个线程之间的同步和异步执行。
这意味着可以同时执行多个任务，从而提高了系统的效率和性能。
2. 提供实时性：RTOS的主要优点之一是它可以提供实时性。
该系统被设计为在特定时间内响应外部事件，以满足实时应用的要求。
此外，RTOS还可以确保对关键任务的快速响应，从而避免了与误差等一些严重问题的出现。
3. 降低功耗：嵌入式系统通常需要在电池供电的情况下运行，因此，降低功耗是非常重要的。
RTOS是一个轻量级的系统，可以在低功耗模式下进行运行，从而延长电池的寿命。
RTOS的结构RTOS的结构由三个部分组成：内核、任务和进程、以及低级别的硬件驱动。
1. 内核: 在RTOS中，内核是操作系统的核心部分。
它提供了构建任务和进程的基本机制，例如线程调度、进程同步、内存管理等。
2. 任务和进程: 任务和进程是由内核创建的。
它们由操作系统负责在给定的时间内进行调度和执行。
使用RTOS，可以创建一些任务，这些任务可以相互独立地执行，并将相关的资源封装在一起。
嵌入式Linux操作系统实时性能的改进
Ｌｎ ｘ 以其源代 码 开放 、 内核 模 块化 设 计及 内 ｉｕ
核 的高 度可 裁减 性等 优 良性 能使 其在 嵌入 式 实 时操
统 不仅 要 求 系统 对 内外 部环 境 的 响应 是准 确 的，而 且 要求 系统 响应 的时 间和 时序 也 必须 是严格 保 证 的 实 时系 统 最重 要 的特 点 就是 实 时性 ，即系统 的 正确
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｉａ ｖ ｔｇ ｓｏ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｄ ｓ ｄ ａ ａ ｅ ｆ ｍｂ ｄ ｅ ｎ ｘ ｉ ｅ ｌ ｉ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｗｈ ｃ ｎ ｌ ｄ ｓｅ ｔ ｅ ｋ ｒ ｅ ， ｎ ｅ ｅ ｄ ｄ Ｌｉ ｕ ｒ ａ— ｍｅ ａ ｐ ｉ ｔ ｓａ ｅ ａ ａｙ ｅ ， ｉｈ ｉｃ ｕ ｅ ｍｐ ｉ ｅ ｌ ｎ ｔ ｃ ｏ ｖ ｎ
作 系 统 研 究 领 域 备 受 青 睐 ．因 此 ，近 年 来 嵌 入 式
Ｌｎ ｘ 成 为嵌 入 式系 统 方 向上 的一 个研 究 热 点．但 ｉｕ
性 不仅 依赖 于 计 算 的逻辑 结 果 的正 确 性，还 取 决于
输 出结 果 的及 时性 ． Ｊ
Ｌｎ ｘ 本 身为 分 时操 作 系 统，其 系 统 目标 为 较 好 的 ｉｕ
摘 要 ：分析 了嵌入 式 Ｌｎ ｘ在实时应用 中存在 的缺 陷，这些缺 陷包括 内核 不可 抢 占性、没有加入时间 限制、优 ｉｕ
先级反转现象 、关 中断问题、时钟中断的精度不高等．通过采取 ４种方法 即双 内核策 略、利用软中断模拟技术、 改善实 时调度策略和细化 时钟 粒度 等对嵌入式 Ｌｎ ｘ系统 的实 时性 能进行 了改进 ． ｉ ｕ 关键词 ：嵌入式系统 ： ｉ ｘ Ｌｎ ；实时性 ｕ 中 图分类号 ： Ｐ３ １ Ｔ １ ． １ 文献 标识码 ： Ａ 文章编 号：１ ７． １６２ １）２０ ８ —３ ６ ２６４ （０ ００—０ ７０
嵌入式实时操作系统实验报告
嵌入式实时操作系统实验报告一、实验目的本实验的目的是让学生了解嵌入式实时操作系统的基本概念和特点，并能够运用实时操作系统编写嵌入式程序。
同时，通过本实验让学生对实时性和可靠性的要求有更深入的理解。
二、实验内容本实验的内容包括以下几个方面： 1. 实时操作系统的概念和基本特点； 2. 实时操作系统的任务调度机制； 3. 实时操作系统的信号量和消息队列； 4. 在实时操作系统上编写一个简单的示例程序。
三、实验原理1. 实时操作系统的概念和基本特点实时操作系统是一种以时间为基础的操作系统，它具有两个主要特点：可预测性和可靠性。
可预测性是指系统可以在规定时间内完成特定的任务，同时提供精确的响应时间。
可靠性是指系统能够保证任务的正确性和可靠性。
2. 实时操作系统的任务调度机制实时操作系统的任务调度有两种方式：一种是基于优先级的抢占式调度，另一种是基于时间片的轮询式调度。
在优先级抢占式调度中，系统会根据任务的优先级来决定任务的执行顺序。
而在时间片轮询式调度中，系统会为每个任务分配一个时间片，当时间片用完后会切换到下一个任务。
3. 实时操作系统的信号量和消息队列信号量是操作系统中一种用于同步和互斥的机制，信号量可以用来保护共享资源，从而避免多个任务同时访问共享资源导致的冲突。
消息队列是一种用于任务之间通信的机制，它可以保证任务之间传递的消息的可靠性和有序性。
4. 编写示例程序在实时操作系统上编写程序时，需要首先定义任务，并对任务的优先级进行设置。
然后在任务中编写对共享资源的读/写操作，同时使用信号量或消息队列来实现任务之间的通信。
四、实验步骤1.学习实时操作系统的概念和基本特点；2.了解实时操作系统的任务调度机制，包括优先级抢占式调度和时间片轮询式调度；3.学习实时操作系统的信号量和消息队列；4.根据实验要求，编写一个简单的示例程序；5.运行程序并进行测试，检查程序的正确性和实时性。
五、实验结果与分析在本实验中，我首先学习了实时操作系统的基本概念和特点，并了解了其任务调度机制和信号量、消息队列等机制。
Linux在嵌入式实时系统的研究与改进
影 响 系 统 响 应 时 间 的 因 素 包 括 ： 中 断 延
迟 （ｎ ｅ ｒ ｐ ｔｎ ｙ ） 、 中 断 服 务 例 程 运 行 ｉ ｔ ｒｕ ｔＬａｅ ｃ 时 间 （ ｎｅ ｒ ｐ ａ ｄ ｅ ｕ ａｉ ｎ 、调 度 延 迟 Ｉ ｔｒｕ ｔｈ ｎ ｌｒｄ ｒ ｔ ） ｏ
（ ｃ ｅ ｕｉｇｄ ｒｔ ｎ） 。 Ｓ ｈ ｄ ｌ ｕ ａｉ ｎ ｏ
２１１ 中 断 延迟 ．．
中断 延迟 即 中 断 响应 时 间 ，是 指 从 产 生 中 断 请 求 到 相 应 中 断服 务 程 序 的 第 一 条 指令 被 执 行之
间 的 这 段 时 间 。 由 于 中 断 具 备 有 优 先 级 而 且 可 以
行 时 的 延迟 时 问 。然 而 产 生 中断 延 迟 的 原 因 除 了
实时操 作 系统实 时性 的最重 要 的两个 技术 指标 。
收稿 日期：２ １－ ６ ７ ０ ０ ０ －１ 作者简介：张帆 （９ １ ）女 ，讲师 ，硕士 ，研究方向为数字图像处理 。 １８ 一
第３卷 ３ 第２ 期 ２ １－ （ ） ０ １ ２上 【７ ８】
机 资 源 ，追 求 吞 吐 量 ；而 实 时操 作 系统 要 求 在 限
定 的 响应 时 间 内提 供 所 需 水平 的服 务 ，追 求 实 时
性 、可确 定性 、可靠 性 。 评 价 一 个 实 时 操 作 系 统 一 般 可 以 从 任 务 调
（ ｃ ｅ ｕ ｅ ｔ ｎ ｙ）和 调 度 程 序 运 行 时 间 Ｓ ｈ ｄ ｌ ｒＬａ ｅ ｃ
基于Linux的嵌入式操作系统实时性改进
算法，就能在一定程度上满足实时性的要求。其原理是根据就绪队 列中各任务的截止时间 (deadline) 来动态分配优先级，截止时间最 近的任务获得较高的优先级，这样就保证了实时任务的处理。但当 这样一种情况出现时，这种算法就无能为力了，既某截止时间较长 的任务在其截止时间到达时有可能还未被调度。 3. 一种基于 Linux 的新型分层式实时进程调度框架的改进 这种框架采用一种分层分级调度的思想，将进程分为硬实时、 软实时和一般进程三类，就须队列中的进程在被调度前首先通过分 流器，根据指示位的不同首先调度实时性要求较高的进程。这种调 度框架既包容了原来的Linux 系统的分时调度， 用来处理一般的非实 时性进程的调度，又使用专门的过滤通道处理实时进程， 并且通过对 数据结构的巧妙安排， 避免了传统的分层调度框架的系统开销大的弊 端。如图 I 所示:
的方法 。
有关中断分类问题可以按照下面三种方法:
点原语 ( 类似这样一段代码: if (current - >need- resched) schedule () ; ， ) 使得进程在内核态时， 也可以在一定程度上被抢占。抢占点
的好处在于，当一个系统调用执行到抢占点时，如果有实时任务在 等待运行， 那么正在执行系统调用的内核进程将会把CPU 的控制权转 交给正在等待运行的实时进程。如果没有实时任务，系统增加的开 销也仅仅是检测一下调度标志。但当抢占点插人不合适或过多时， 反而会降低实时性; 关于抢占式内核的设计，即允许处于系统调用
实时性 改进 分层 式 实时进程调 度框 架
〔 关键词I嵌 式 作 统 入操 系
1. 引 言
实时系统要求在外部环境指定的时间间隔 内对来 自环境 的激励
信号做出响应。通常这种相应是连续的，计算的正确性不仅依赖于 结果，而且取决于输出发生的时间。在我们对实时的一般性理解中， 实时也就是某些操作或功能 (在操作系统的角度讲即是任务) 必须 在其给予的时间前完成。由于嵌人式系统的应用主要是根据传感器 信息对环境做出响应，并利用激励器控制环境，所以时常要求它能 够与环境速度同步。这就决定了嵌人式系统与实时系统是密不可分
嵌入式系统中的实时性和可靠性设计与实现
嵌入式系统中的实时性和可靠性设计与实现随着现代科技的飞速发展，嵌入式系统越来越多地被应用于生活的各个方面，如消费电子、汽车、医疗设备等。
嵌入式系统的实时性和可靠性是保证其安全和可靠运行的关键因素，因此，在嵌入式系统设计中，实时性和可靠性的设计和实现显得尤为重要。
本文将从嵌入式系统的实时性和可靠性的概念、嵌入式系统实时性和可靠性的特点和嵌入式系统实时性和可靠性设计与实现几个方面进行探讨。
一、实时性和可靠性的概念实时性是指系统对事件响应的时间性能，即将事件到来时，系统能够在规定时间内做出响应。
实时性通常可分为硬实时和软实时。
硬实时要求事件在规定时间内得到响应，否则系统会发生错误或崩溃；软实时要求系统对事件的响应时间有一定的限制，但在限制时间内响应，则系统的运行效率会因此而受到影响。
可靠性是指系统执行的正确性和稳定性，即系统在进行大量操作时不会发生错误或故障。
可靠性通常可分为硬可靠性和软可靠性。
硬可靠性要求系统在面对错误或故障时能够恢复到正常工作状态，且对系统的正确性和稳定性不会造成影响；软可靠性要求必须对系统执行的操作进行检测，避免错误或故障的发生。
二、嵌入式系统实时性和可靠性的特点嵌入式系统与通用计算机最大的区别在于它必须面对更加复杂的硬件环境和实时环境，因此，嵌入式系统实时性和可靠性的特点也相应地有所不同。
（一）系统资源受限嵌入式系统通常有比较窄的带宽和小的内存容量，因此在进行系统设计时，必须考虑资源的优化使用。
（二）多任务协同嵌入式系统中，通常有多个任务同时运行。
在任务执行的过程中，仍然要满足实时性和可靠性的要求。
因此，在任务协同上，任务之间的优先级、任务调度等方面也需要考虑。
（三）环境复杂多变嵌入式系统通常需要面对复杂的环境，如温度、湿度、压力等环境因素的影响，这就要求系统的实时性和可靠性在环境变化的情况下仍能保证有效运行。
三、嵌入式系统实时性和可靠性设计与实现嵌入式系统的实时性和可靠性设计和实现是系统设计过程中至关重要的一步。
基于RTAI的Linux系统实时性研究与改进
Ｖ １３ ｏ．６
・
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机
工
程 Βιβλιοθήκη ２１ ０ ０年 ７月 Ｊ ｌ ０ ０ ｕ ｙ２ １
Ｎｏ ．
Ｃｏ ｕ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｍｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ
开 发研 究与设计 技术 ・
文章编号：１ ３２（１） －２８＿３ 文 ｏ ＿４８ｏ０ ＿ ８ ｏ ｏ ２ １ ０ ’ 献标识码：Ａ
产 的 Ｐ ｌ Ｓ 己经在许多嵌入式领域得到了广泛 的应用…。 ａ ｍＯ 但这些商用系统一般价格 昂贵且互不兼容 ，且对于以出卖软
件使用许可证为盈利 目的的商业实时操作系统而言，通常严 守技术秘密 ，这无疑会限制其发展 。 】 因此 ，在 嵌入式实时操作系统领域以开放 源码为代表的
多任务管理 ，另一个内核提供复杂的非实时通 用功能。 （） ２直接修改 Ｌｎ ｘ内核 ：这类方案的共同点是针对 以上 ｉｕ
提到的 Ｌｎ ｘ实时性能的缺陷，直接修改内核 ，增强其实时 ｉ ｕ
性能 。 在实时性能 方面 ， 它提供了基于优先级的实时调度器 。 ２２ Ｒ Ａ 概 述 ． ＴＩ 在众多的实时性改进方案中，由意大利米兰理工学院开
发的一个开源项 目，其 目的是实现 Ｌｎ ｘ对任务的硬实时控 ｉｕ
Ｌｎ ｘ操作系统逐渐 引起 了人们的广泛关注 ，并成为该领域 ｉｕ
中圈 分类号；Ｔ３１ Ｐ９
基 于 Ｒ ＡＩ的 Ｌ ｎ ｘ系 统 实 时性研 究 与 改 进 Ｔ ｉｕ
赵 旭，夏靖波
（ 空军工程大学 电讯工程学院 ，西安 ７ ０ ７ ） １０ ７
■ 要 ：分析现有嵌入式 Ｌｎ ｘ ｉ 操作系统实时性 的不足 ， 鉴实时应 用接 口的结构和完全公平调度算法 ， 出一种内核进程调度策略 ，将 ｕ 借 提 此调度策略编译 进操作系统 。系统性能测试表明无论该 系统处于忙或闲的状态 ，改进后的系统都较改进前的系统性能优越 ， 尤其是对于复
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（２）强大的网络支持功能。Ｌｉｎｕｘ诞生于因特网并具有Ｕｎｉｘ的特性，这就保证了它 支持所有标准因特网协议，并且可以利用Ｌｉｎｕｘ的网络协议栈将其开发成为嵌入式的
ＴＣＰ／ＩＰ网络协议栈。
（３１
Ｌｉｎｕｘ具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ、Ｌｏｃｋｈｅｅｄ
Ｍａｒｔｉｎ和西门子等在网络路由、医疗仪器、车辆远程信息处理单元、安全防御系统、工 业机器人和其它具有使命意义或与生活息息相关的应用领域都依赖于ＱＮＸ的技术。
（３）Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ是微软Ｗｉｎｄｏｗｓ家族的一员，是微软开发的一个开放的、可升级的３２
作者签名：ｔ翌垒２丛
导师签名学日期：丝年』卫日
工程硕士学位论文
第一章
引言
弟一早 第一章
１．１
引Ｉ ｊ
言 苗
选题背景
随着计算机技术和信息化技术的发展，嵌入式系统已经广泛的应用到科学研究、
工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活中。嵌 入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可裁剪，适用于对功能、
ｔｈａｔ
ｓｏｏｎ
ａｖｏｉｄ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ
ｂｒｉｎｇ
ｂｙ
ｋｅｒｎｅｌ－ｐｒｅｅｍｐｔ，ｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ
ｓｐｉｎ
ｔｏ
ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｋｅｍｅｌ・ｐｒｅｅｍｐｔ
ｆｏｒｂｉｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ
ｔｏ
Hale Waihona Puke ｂｅ ｐｒｅｅｍｐｔｅｄ ｓａｆｅｔｙ ｉｎ ｋｅｒｎｅｌ ｓｔａｔｅ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｓ
ａｓ
ｄｅｔａｉｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ
ＫＥＹ
ＷＯＲＤＳ
Ｌｉｎｕｘ，Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ａｂｉｌｉｔｙ，Ｋｅｍｅｌ，Ｐｒｅｅｍｐｔ—ａｂｉｌｉｔｙ，Ｌａｔｅｎｃｙ
ＩＩ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
作者签名：、！鳘麴遗
日期：２盟年工月盥日
学位论文版权使用授权书
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众 提供信息服务。
ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ａ
ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｄｅａ ｏｆ ｔｈｅ
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ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｎｕｘ ｋｅｒｎｅｌ
ｍａｋｅ ｉｔ
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ｌａｒｇｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｍａｒｋｅｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ
ｒｅｌｉａｂｌｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｒｅａｌ
ｓｏｕｒｃｅ
ｔｈｅ
ｐｒｅｅｍｐｔ－ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ２．４ ｋｅｒｎｅｌ
高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地，
广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如 卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
（２）ＱＮＸ
ＱＮＸ实时操作系统是加拿大ＱＮＸ软件系统有限公司的产品，是一个分布式、嵌入 式、规模可扩展的实时操作系统，遵循ＰＯＳＩＸ．１（程序接口）和ＰＯＳＩＸ．２（Ｓｈｅｌｌ和工具）、部 分遵循ＰＯＳＩＸ．１ｂ（实时扩展），ＱＮＸ是一个微内核实时操作系统，其内核仅提供４种服务： 进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，进程在独立的地址空间运行。所 有其它操作系统服务，都实现为协作的用户进程，因此ＱＮＸ内核非常小巧（ＱＮＸ４．ｘ大 约为１２Ｋｂ）而且运行速度极快，ＱＮＸ操作系统最早开发于１９８０年，经过多年的不断发展 与推广，现在已经应用于自动化、控制、机器人科学、电信、数据通信、航空航天、 军用控制系统等领域。全球领导者０１］Ｃｉｓｃｏ、ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ、Ｇｅｎｅｒａｌ
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｉｍｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．
ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ
Ｌｉｎｕｘ ２．４．３６
ｋｅｒｎｅｌ
ｃｏｄｅｓ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｍｐａｃｔ Ｌｉｎｕｘ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，
正是因为Ｌｉｎｕｘ具有的这些优点，使得Ｌｉｎｕｘ在嵌入式领域的快速发展，嵌入实时 Ｌｉｎｕｘ也已成为嵌入实时应用领域的主流操作系统之一。国内，政府公开支持采用开放 源码软件，Ｌｉｎｕｘ作为最主要的开放源码软件之一，具有内核源码开放、兼容Ｕｎｉｘ、
工程硕士学位论文
第一章
引
言
支持多种硬件平台、强大的网络功能强、安全性高、模块化设计等一系列优点，在我 国的软件研究和开发中占据越来越重要的地位。但是，Ｌｉｎｕｘ作为一个通用的操作系统， 内核的实时性能还不能够很好的满足实时应用的要求，修改Ｌｉｎｕｘ的内核以增强其实 时性能已成为构建嵌入式系统的主要方法，因此研究分析Ｌｉｎｕｘ内核的实时性能具有
非常重要的现实意义。
１．２嵌入式系统简介
嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。目前，国际上 流行的嵌入式系统主要有以下几种：
（１）ＶｘＷｏｒｋｓ
ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统是美国ＷｉｎｄＲ＿ｉｖｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ公司于１９８３年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统，它采用微内核的结构，具有支持处理器多，网络协议丰富，兼容性和 裁减性好等特点，同时具有程序动态连接和下载的功能。它以良好的持续发展能力、
ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
Ｌｉｎｕｘ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｕｓｅｄ ｉｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｌａｔｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｍｅｌ
ａｎｄ ｐｒｅｅｍｐｔ ｋｅｒｎｅｌ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ＡＢ ＳＴＲＡＣＴ
Ｌｉｎｕｘ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｏｐｅｎ—ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｄｅ，ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｍｏｄｕｌａｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｕｐｐｏｒｔ
ｍｕｌｔｉ－ｈａｒｄｗａｒｅ
ｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ａｎ
ｗｉｔｈ
ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
ｉｎｄｕｓｔｒｙ
ｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｂｅｃａｕｓｅ Ｌｉｎｕｘ ｉｓ
ａｌｌ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｌａｃｋ ｏｆ
ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｓｅｒｉｏｕｓ ｌｉｍｉｔｓ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｆｉｅｌｄ。 Ｌｉｎｕｘ ２．４ ｋｅｒｎｅｌ ｏｃｃｕｐｉｅｓ ｓｍａｒｔ，ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ
中南大学 硕士学位论文 Linux嵌入式操作系统的实时性研究 姓名：曾树洪 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘卫国;张衡 20080518
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Ｉ晦界区和在多ＣＰＵ系统上进行实验测试等。 关键词Ｌｉｎｕｘ，实时性，内核，抢占能力，延迟时间
ｋｅｒｎｅｌ－ｐｒｅｅｍｐｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ｋｅｒｎｅｌ ｓｔａｔｅ，ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ
ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｃａｎ
ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
ｅｖｅｎ ａｓ