基于Linux on ITRON混血操作系统结构的研究.pdf

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1、 84 基于 Linux on ITRON 混血操作系统结构的研究 基于 Linux on ITRON 混血操作系统结构的研究 杜杜 辉辉王树义王树义孙效里孙效里(大连理工大学电信学院大连 116023)摘摘 要要Linux on ITRON是一个正在研究的混血操作系统结构该结构把 Linux 与符合 ITRON 规范的操作系统相结合目的是有效地复用已经存在的 Linux 环境的软件 同时又能将系统在符合 ITRON 规范的操作系统移植 该文对此结构进行了评价 并针对该结构下 Linux中断丢失问题对系统结构进行了改进给出了新结构下解决该问题的实现方法 关键词关键词:操作系统实时操作系统嵌入式

2、系统ITRON Research of Hybrid OS Architecture Based on“Linux on ITRON”DU Hui,WANG Shuyi,SUN Xiaoli (College of Electronic and Information Engineering,Dalian University of Technicology,Dalian 116023)Abstract“Linux on ITRON”is the architecture of hybrid operating system,which is to combine the Linux with

3、 a ITRON-specified real timeoperating system.The motive is to reuse the software in Linux environment and keep the existed ITRON-specified real time operating system fromlarge modification.This article evaluates the basic architecture of“Linux on ITRON”described in that article,and presents a new ar

4、chitecture,whichcan solve the problem of missing of interrupt for Linux in the old architecture,and gives an implementation under the new architecture.Key wordsOperating system;Real-time OS;Embedded system;ITRON 计计 算算 机机 工工 程程 Computer Engineering 第第32卷卷 第第22期期Vol.32 No.22 2006 年年 11 月月 November 200

5、6 软件技术与数据库软件技术与数据库 文章编号文章编号10003428(2006)22008403文献标识码文献标识码A 中图分类号中图分类号TP316 ITRON是嵌入式应用的实时操作系统的规范和相关标准的名称其中ITRON 规范是一个关于小规模嵌入式系统的实时操作系统的规范 它被广泛应用于各种嵌入式系统中随着嵌入式设备的性能提高嵌入式设备开始要求应用软件和 Internet 的支持 Linux 是一个成熟的通用目的的操作系统Linux 环境下有很多有用的资源和成熟的软件产品但是 Linux 不能胜任许多嵌入式应用的实时要求 H.Takada 等在文献1中设计了一种标准的混血操作系统结构Li

6、nux on ITRON(以下简称 ITRON-Linux 结构)该结构是将 Linux 与符合 ITRON 规范的操作系统结合的混血操作系统 这种方法可以增加 Linux 下的软件的复用与已存的嵌入式实时 Linux(如 RT-Linux)相比 该方法由于底层的操作系统是符合 ITRON 规范的操作系统 因此可以有效地利用已经广泛存在的符合 ITRON 规范的操作系统 文献1中 IRON-Linux 结构设计是初步的有很多问题没有很好地被解决本文介绍混血操作系统并提出新的混血操作系统类型描述了 ITRON-Linux 结构该结构优缺点以及该结构存在的问题在 ITRON-Linux 结构的基础

7、上对该结构进行改进 新的结构可以有效地解决原系统的某些问题 1 混血操作系统概念混血操作系统概念 混血操作系统是将两种操作系统集成为一个操作系统目的是获得两种不同的操作系统的特性混血操作系统可以分为 4 类其中前 3 类是在文献1中提出的此处简述之详见文献1第 4 类由本文提出:(1)上层的操作系统作为底层操作系统的一个进程或任务运行(2)上层的操作系统的每一个进程或线程作为一个下层操作系统的进程运行(3)底层的操作系统(往往被称为虚拟机)支持两个操作系统在其上运行(4)底层的操作系统通过一个中间层支持其他操作系统在其上运行具有极大的灵活性中间层之上的操作系统可以不修改就能够运行并同时运行不只

8、一种操作系统且中间层可以运行在不同的平台上中间层的设计封装了底层的操作系统的特性对上层操作系统展现为一个平台第 3 种混血操作系统是这种混血操作系统中间层与底层操作系统合二为一的特例可以说这种混血操作系统是底层操作系统和中间虚拟层共同组成的一个硬件平台 2 ITRON-Linux结构结构 文献1提出了 ITRON-Linux 的混血操作系统结构 该结构有 3 个假设(1)一个操作系统原来存在的软件可以在新的混血操作系统中被重用(2)符合 ITRON 规范的内核的特性必须保留(3)对 Linux 内核的修改最小 符合ITRON规范的内核ITRON中断处理模块ITRON任务Linux任务 Linu

9、x 内核Linux 中断处理模块Linux任务Linux任务 图图1 “Linux on ITRON”基本结构基本结构 ITRON-Linux基本结构与 RT-Linux(一种实时的 Linux操作系统)结构非常类似 图 1 显示了 ITRON-Linux 基本结构作者简介作者简介杜 辉(1978)男硕士生主研方向操作系统设计与实现Linux 内核模块耦合度王树义孙效里副教授 收稿日期收稿日期2005-11-10 E-maildh_ 万方数据 85 该结构中符合 ITRON 规范的内核处于底层提供服务和支持Linux 内核及其上的任务作为一个整体与 ITRON 任务和ITRON 中断位于上层由

10、于实时性能的要求在该结构中上层的 3 个子系统的优先级是不同的ITRON 中断具有最高优先级其次是 ITRON 任务再次是位于 Linux 内核中的中断Linux 上的任务优先级最低 3 ITRON-Linux 成功与不足 ITRON-Linux 的成功在于(1)ITRON-Linux结构使得整个系统开发成本大幅降低这基于以下两个因素1)对Linux内核的改造非常少2)Linux上原有的软件可以不作修改或修改很少就可以在其上运行(2)由于ITRON的中断和ITRON任务独立ITRON-Linux结构的实时性能可以由符合ITRON规范的内核来保证 ITRON-Linux 的不足有 为了防止Lin

11、ux内核的中断不影响ITRON中断和ITRON任务的实时优先级引文提出对 Linux 内核的中断进行虚拟化 该方法将 Linux 内核的中断请求延迟到下一次任务调度而不是立即执行这种方法要求必须跟踪和保存 Linux 的中断请求文中论及如果其他任务(主要是 ITRON 任务)执行时间过长Linux 下的中断请求会丢失这种把中断服务延迟到下次任务调度的方法不能从根本上解决问题引文中提出3 种解决方案(1)立即执行Linux中断服务程序这要求Linux中断服务程序的优先级高于所有ITRON任务的优先级否定了最初的优先级设计某些紧要的ITRON任务可能会要求更多的 调度(2)把Linux的任务分为两

12、种一种执行Linux进程的任务另一种执行Linux的中断处理的任务Linux中断处理的优先级比某些ITRON任务的优先级高区分ITRON任务的执行要求是很困难的因此很难实现Linux中断处理的优先级比某些ITRON任务的优先级高而比另一些又低因为Linux内核执行时关中断这种方法容易引起优先级倒置(3)动态改变Linux中断处理的优先级当Linux中断比ITRON任务紧要时提升Linux任务的优先级当Linux中断处理结束时恢复原来的优先级虽然ITRON规范的内核支持动态优先级使得实现起来相对容易但是这种方法还是比较复杂的动态优先级的确定本身就使调度复杂了 3 改进与实现改进与实现 3.1 I

13、TRON-Linux结构的改进及实现结构的改进及实现 原 ITRON-Linux 结构的主要问题是 Linux 中断请求丢失问题通过在原有的结构上加一个中断控制层这样既可以减少对 Linux 的修改同时又解决原 ITRON-Linux 结构中Linux 中断丢失的问题新的 ITRON-Linux 结构如图 2 新的 ITRON-Linux结构在原有的结构的基础上增加了一个中断控制层该层的功能对中断进行分发和控制对于实时中断透过该层交给 ITRON 中断处理模块处理对于 Linux中断则进行控制 在该结构中任何 Linux 中断都会得到立即响应但不一定执行是否立即执行取决于中断发生时系统中是否有

14、实时中断或紧要的 ITRON 任务正在执行 当实时中断或紧要的ITRON 任务正在执行时Linux 中断仍然立即响应但并不执行中断服务程序而是把相应的中断服务程序添加到中断程序服务队列尾部当系统中没有实时中断或紧要的 ITRON任务时Linux 中断就会得到执行执行时以前的响应但未被执行的中断服务也能得到处理 这种结构完全利用了 Linux 已经存在的基础设施因此该结构对 Linux 的修改并不大符合 ITRON-Linux 结构的 要求 符合ITRON规范的内核中断控制层ITRON中断处理模块ITRON任务Linux任务Linux 内核Linux 中断处理模块Linux任务Linux任务IT

15、RON中断Linux中断 图图2 “Linux on ITRON”改进结构改进结构 具体来说新的结构中实时中断服务程序和某些紧要的ITRON 任务设置一个针对 Linux 中断是否能够立即响应的标志Linux 中断服务允许标志当该标志关闭时Linux 中断请求会被立即响应但是响应过程并不会执行中断服务程序而是将中断服务程序插入中断服务程序队列尾部这就类似 Linux 在中断过程中又有同种中断的情况唯一的差别是此时判断 Linux 中断服务允许标志而在 Linux 中判断是否有同种中断在执行当该标志开启时Linux 中断请求会同样会被立即响应并且会执行中断服务队列中的所有程序 Linux 中断策

16、略以及 Linux 中断实现为上面的方法的实现提供了方便这使得对 Linux 的修改非常小当进入实时中断和某些实时要求强的 ITRON 任务时 将 Linux 中断服务允许标志关闭此时的 Linux 中断服务都不会被执行而是插入中断服务程序队列当离开实时中断和某些实时要求强的ITRON 任务时将 Linux 中断服务允许标志开启此时某种Linux 中断到来时会把以前未被执行的中断服务程序都执行一遍由于 Linux 中断策略中有同种中断正在执行新的中断的服务程序与正在执行的中断并不是嵌套而是先来先执行(参考 Linux 2.4 内核源代码中 irq.c 中的函数 do_IRQ()因此上面的实现方

17、法应保证 Linux 中断的服务程序执行顺序与中断发生顺序一致这要求修改 Linux 中断的服务程序队列将单链表结构改成双向链表无论 Linux 中断服务允许标志是否关闭新的中断总是把服务程序插入链表尾部这种方法对 Linux 的改动非常小程序的流程见图 3 图图3 中断控制流程中断控制流程 Linux中断YNITRON中断处理模块允许立即执行N将服务程序挂到服务程序队列服务程序程序队列中断服务程序Y返回中断万方数据 86 Linux 内核中系统调用使用中断门而系统调用不能像普通的中断一样顺序执行实际上由于 Linux 的任务的优先级最低因此当有其他任务和中断发生时根本不会发生从普通 Linu

18、x 任务中进行系统调用的情况并且 Linux 中断服务允许标志关闭时Linux 也不可能从中断服务程序中进行系统调用因此这个问题根本不会发生为了防止 Linux 任务长时间得不到调度Linux 中断服务允许标志必须在实时中断和某些 ITRON 任务开始时关闭在程序结束后立即开启有些 ITRON 任务的实时性不强就不要设置该标志此时Linux 中断可中断 ITRON 任务得到立即响应并执行服务程序 3.2 性能分析性能分析 改进 ITRON-Linux 结构解决 Linux 中断丢失问题但是系统性能会略有下降性能下降分 3 种情况(1)当允许 Linux 中断立即执行时改进的结构在这种情况下只是

19、增加了对 Linux 中断立即执行标志的检测和判断没有其他的开销(2)当不允许 Linux 中断立即执行时此时应该是在实时应用或紧要的 ITRON 任务内部执行过程中Linux 中断会对Linux 中断控制标志进行检测和判断并且把服务程序挂到服务程序队列从代码量上看增加了堆栈的压入和弹出条件判断和一次双向链表的插入(3)当允许 Linux 中断立即执行时并且该中断服务程序队列中有很多服务程序时此时 Linux 的中断服务被一次执行效率非常高但这是 Linux 的固有的特性决定的与该结构没有关系 综上改进的 ITRON-Linux 结构在性能上并没有大幅地下降 这种设计结构对实时性能的影响实时应

20、用会在执行过程中进行 Linux 中断的响应但并不执行中断服务程序由于执行 Linux 中断的响应的代码少执行速度快因此并不会影响系统的实时性能 综上所述改进后的 Linux-ITRON 结构在系统性能和实时性能上都没有太大的损失 4 总结与展望总结与展望 本文介绍了混血操作系统的结构和分类在前人的基础上提出了新的分类方法描述了旧 ITRON-Linux 结构并阐述 了 旧 的ITRON-Linux结 构 的 成 功 与 不 足针 对ITRON-Linux 结构丢失 Linux 中断请求介绍了引文的解决方法阐述了这些解决办法的缺点最后提出了新的ITRON-Linux 结构在保持对 Linux

21、内核少量修改并且把修改局部化的情况下新的结构能比较好地解决了原有结构Linux 中断的问题也分析了新的系统结构在系统性能和实时性能上的变化情况 对新的 ITRON-Linux结构的性能方面降低和对实时性能的影响还没有作系统的分析 ITRON-Linux 结构的具体实现也还没有做 这些是未来的工作 我们共同期待 ITRON-Linux的开发成功 参考文献参考文献 1 Takada H,Iiyama S,Kindaichi T,et al.“Linux on ITRON”:A Hybrid Operating System Architecture for Embedded SystemsC.Pr

22、oceedings of the 2002 Symposium on Applications and the Internet Workshops,IEEE Computer Society,2002.2 Yodaiken V,Barabanov M.A Real-time UnixC.Proc.of Linux Applications Development and Deployment Conference(USELINUX),1997-01.3 Takada H,Sakamura K.ITRON for Small-scale Embedded SystemsJ.IEEE Micro

23、,1995,15(6):46-54.4 Nakamoto Y,Takada H.JTRON:A Hybrid Architecture of Java Runtime Environment and Real-time OSC.Proc.of IEEE Workshop on Programming Languages for Real-time Industrial Applications,1998:85-93.5 Burns A.Scheduling Hard Real-time Systems:A ReviewJ.Software Engineering Journal,1991,6(

24、3):116-128.(上接第 80 页)XPDL 作为系统的一个输入辅助控制器决定控制流程 AccessControlManager 辅助控制器完成对发出请求用户的权限进行验证而 RoleManager 是系统内部建立的角色静态结构可由管理角色进行定制也是访问控制器进行逻辑判断的一个依据当控制器接受请求之后通过 ToolAgent 来调度相应的操作完成这个流程SystemUtilities 作为系统辅助使用的一些实用类提供辅助服务比如上文提到的 Cache等Storage Module 层封装了一组访问 Repository 的 API使得 Repository 中数据的存储格式对其它组件透

25、明需要读写外存数据的组件均通过 Storage Module 层访问存储库 模块中的 Application模块是对测试管理流程中各个流程的实现主要包括项目管理任务管理测试设计测试运行评审缺陷跟踪等 6 结束语结束语 本文基于 RBAC96 模型针对工作流系统的特点提出 了扩展的 Wf-RBAC 模型以解决工作流管理中角色-权限定义及访问控制问题该模型在 RBAC96 模型中引入了工作流模型中的 Activity,Operation 和 WorkItem 的概念并定义了Activity 与权限之间的关系基于该模型本文提出了一种三层控制策略从核心控制层流程定义层和用户访问界面 3个层次定义描述和

26、维护权限定义并动态解析和执行访问控制我们还开发了相应的基于 Web 的工作流管理系统并嵌入到测试管理系统中实现对于测试流程的定制和管理 参考文献参考文献 1 范玉顺.工作流管理技术基础M.北京:清华大学出版社,2001.2 Ferraiolo D F,Sandhu R,Gavrila S,et al.Proposed NIST Standard for Role-based Access ControlJ.ACM Transactions on Information and System Security,2001,4(3):下来 224-274.3 Sandhu R S.Rationale

27、 for the RBAC96 Family of Access Control ModelsC.Proceedings of the 1st ACM Workshop on Role-based Access Control,1997.万方数据基于Linux on ITRON混血操作系统结构的研究基于Linux on ITRON混血操作系统结构的研究作者：杜辉，王树义，孙效里，DU Hui，WANG Shuyi，SUN Xiaoli作者单位：大连理工大学电信学院,大连,116023刊名：计算机工程英文刊名：COMPUTER ENGINEERING年，卷(期)：2006,32(22)参考文献(

28、5条)参考文献(5条)1.Takada H;Sakamura K ITRON for Small-scale Embedded Systems外文期刊 1995(06)2.Yodaiken V;Barabanov M A Real-time Unix 19973.Takada H;Iiyama S;Kindaichi T Linux on ITRON:A Hybrid Operating System Architecture for Embedded Systems外文会议20024.Burns A Scheduling Hard Real-time Systems:A Review 1991(03)5.Nakamoto Y;Takada H JTRON:A Hybrid Architecture of Java Runtime Environment and Real-time OS 1998 本文链接：http:/