通用进程模型(UPM)与嵌入式操作系统开发.pdf

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1、!年#月第$%卷 第&期装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报()*+,-(./0 123,4 1 56(.7 8)9:51+/;(55,+4 62)?/!A(-B$%C(D&收稿日期E!$F$!F!#作者简介E李元勇G$H I J KL M男M助理工程师B通用进程模型G N O PL与嵌入式操作系统开发李元勇G装备指挥技术学院 试验指挥系M北京$&$J L贾建勋G装备指挥技术学院 电子工程系M北京$&$J L摘要E嵌入式操作系统是便携移动信息终端软件系统中最核心的底层软件Q由于便携式设备硬件体系结构上的特殊性和多样性M决定了嵌入式操作系统在保证小而稳定的前提下M还要具备相当高的灵活性和可扩展

2、性M操作系统体系结构设计直接影响整个软硬件系统的性能Q通过现行几种操作系统体系结构与RS T的比较M阐明RS T应用于嵌入式系统设计的优势Q关键词E通用进程模型U嵌入式U操作系统U微内核中图分类号E=S%$J B#H U=S%$B$文献标识码E2文 章 编 号E;C$F%H#I V W%G!L&F J I F%自!世纪H 年代末M X+/1*+1/在国内兴起以来M短短数年间M S;产业得到了前所未有的发展Q伴随着技术的进步M微型的Y个性化和可移动的嵌入式信息终端成为继S;之后的又一个新亮点M并由此引发了新一轮以移动信息设备为主体M以运行于其上的嵌入式操作系统为核心的研发浪潮Q在这场以移动Y便携

3、Y个性为基本特征的信息革命中M嵌入式操作系统对于移动信息终端就如同Z9+4(?对于S;Q可以断言E今后$年将是嵌入式系统支持下的移动信息设备引领这场信息革命的$年Q通用进程模型G RS TE R+9 1*?,-S*(3 1?T(4 1-L就是在嵌入式操作系统研发领域产生出来的一种新的操作系统模型M它比以往的操作系统模型更具灵活性和稳定性M更易于根据不同的需求进行个性化的定制Q通过RS TM可以大大地缩短研发周期M减少测试与维护系统的费用M提高整个研发体系的效率Q现行操作系统体系结构分析 B 平板的操作系统平板系统的体系结构如图$所示Q在这种结构中M所有的软件模块都处在同一个地址空间M系统不提供

4、任何内存保护Q这就意味着E任意一个普通的用户程序M只要它想做M它就可以访问到系统内核的任意一行代码或数据Q因此哪怕是一个简单的程序错误M如一个无效的;指针M都将覆盖内核使用的内存地址M从而导致整个系统的崩溃Q采用这种体系统结构的一个典型例子就是早期的 _ 系统Q图$不提供内存保护的平板体系结构在这种体系结构中M没有诸如a分时b Y a调度b Y a进程间通信b等概念M一旦一个程序投入运行M直至它运行结束M程序一直掌握着整个系统的控制权Q在这样的系统中做开发M要十分小心地使用内存空间M绝对不能去访问任何不属于程序本身的内存空间M否则将直接带给系统一场a毁灭性的灾难b Q显然M这种结构没有为错误留

5、出空间Q对于一个简单的应用来讲M这不会有什么问题Q但在一个多任务系统中M运行着少则几个M多则数十M成百M乃至上千个模块M在成千上万行程序代码中M哪怕只有一处错误都将造成整个系统的崩溃Q万方数据另外!在平板结构系统中增加并测试一项新的系统功能也将是非常困难的一是由于应用程序代码同内核代码被组织到了一起!因而任何一次代码改动之后都需要重新进行一次编译和链接!而且对一个较复杂的系统进行重新编译与链接是一个相当耗时的过程#二是因为改动的代码在未与系统其它部分进行整合之前!由于不具备进行充分测试的条件而无法进行全面测试将这样的代码编译到整个系统中显然要冒很大的风险在平板体系结构的系统中进行开发!需要花费

6、很长的时间定位程序错误!开发人员不得不花费更多的时间用于测试和维护!而无法将精力集中于提高程序效率$完善程序算法上目前的大多数嵌入式系统仍在使用平板体系结构!其原因有%个&是历史原因!许多过去生产的嵌入式处理器不包含集成的内存管理单元()*&)+,+-.)/0/1+,+0 2*0 3 2 4!无法实现内存的保护#5是以前的嵌入式系统相对简单得多!所完成的任务比较单一!客观上不需要一个通用的操作系统平台来支持应用的运行#6是执行效率在平板系统中!一个应用访问的地址就是实际的物理地址!不需要像在内存保护中那样进行若干次映射才能定位到实际的物理地址!因而具有与生俱来的高效性而事实上!一个设计优良的操

7、作系统不仅能提供)*保护!而且完全能够达到$甚至超过平板系统的效率7 8 9:;3 0?AB!C 3 0 D E都属于这一类的体系结构乍一看!这似乎解决了问题!开发者不必再盲目地寻找应用程序中的错误这的确极大地方便了应用程序的开发人员!如果应用发生了改变!只需重新编译应用本身!而不是整个系统然而所有的底层模块!包括文件系统$协议栈$驱动程序等!仍然和内核使用同样的地址空间!一个驱动程序的内存冲突仍然会导致系统崩溃这是问题的关键!当开发进入到更深的层次!程序员不得不为一个新的硬件开发驱动程序时!平板结构中出现的问题又在这里出现了适用于嵌入式系统的新体系结构FF通用进程模型(G H I4为了彻底地

8、解决前述=种体系结构中存在的问题!使嵌入式操作系统具备极大的灵活性和很高的稳定性!研发嵌入式操作系统时应采用通用进程模型!如图%所示图%为所有程序模块提供内存保护的通用进程模型的结构在该模型中!操作系统的内核部分仅仅包含了进程调度$内存管理$进程间通信(J K L 4$中断预处理等最基本的系统功能7%9!而诸如驱动程序$J M N管理$协议栈$文件系统以及应用程序都可作为可选进程!运行于各自受保护的内存空间系统内核与功能模块之间!功能模块与应用程序之间通过J K L机制传递数据或消息!互相协同共同完成一项任务这种结构带来的稳定性是显而易见的&首先!操作系统内核中的代码很小!出错的可能性因而也很

9、小#其次!在这个模型中每一个模块都是一个运行于各自独立地址空间的进程!任何一个模块都不可能破坏内核!这就意味着可以动态地启动$停止$修改$升级现有内核以外的所有软件模块!而不需要重新启动或重构内核由于驱动程序$文件系统等通常被认为是内核部分的模块在*K)结构中是作为一个独立的内存保护的进程在运行!与应用程序处于相同的OP装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报=Q Q=年万方数据地位!所以当修改完驱动程序或文件系统的代码后!只需重新编译被修改的模块本身!而不需要重新编译链接整个内核系统!甚至都不必重新启动系统如果出现内存冲突!操作系统内核可以立即识别出是哪一个模块中的哪一条指令引起的!这使得编写

10、一个系统底层程序与编写一个标准应用程序一样方便#$%使操作系统可以根据需要进行任意剪裁由于#$%独特的体系结构!使其扩展起来非常容易因为所有的模块都没有耦合到内核上!因此每个模块是独立的&%#保护的进程!其运行文件不需要重新链接即可以从一个$#移植到另一个$#这个结构使得同样的应用程序&驱动程序&协议栈既可以在单一的处理器上运行!也可以通过网络在几个松耦合的处理器上运行!或者在紧耦合的(%$)对称多处理器*系统上运行而且!在#$%结构中!应用模块与功能模块之间发生的请求与应答都经由内核以+$方式转发!内核并不关心发送和接收消息的进程所处的物理位置,-.!而进程间通信)+$*可以通过网络透明地进

11、行!因此两个进程间的通信与它们是否在同一个$#上没有直接关系!这就为通过#$%结构组建基于网络的分布式系统提供了必要的软件基础在通过#$%组建一个系统时!可以象搭积木一样!把内核!硬件系统所需的驱动和文件系统)如果需要的话*以及应用程序简单合并到一起即可特别是在一个嵌入式应用系统中!除内核以外!其它的部分可以根据不同应用的需要!进行相应的取舍和个性化的定制因而一个符合#$%体系结构的操作系统可以适用于从手机&$/0&到超级服务器等全系列的处理器系统!其中的差别仅仅在于1除内核以外的其它模块的数量和功能不同而已2通用进程模型)3 4 5*的其他优势#$%可以最大限度的利用研发资源在平板体系结构和

12、单一体系结构下!每一个开发者都必须清楚每个模块是怎样工作的!以避免闯入别人使用的地址空间而招致系统的崩溃而在#$%体系中!开发者不必知道系统的所有细节因为每一个开发者所面对的是一个完全独立的&%#保护的地址空间而且!由于#$%允许底层模块在代码级上进行调试!底层模块的开发人员也可以像开发普通应用程序一样开发驱动程序&文件系统等等#$%可 以 缩 短 研 发 周 期&提 高 效 率在#$%体系中!所有的软件模块彼此独立!开发者不再需要详细地知道整个系统!这使得把一个大项目划分为若干小的独立的团队更加容易!各团队之间可以并行地开展工作参考文献,6.李善平78 9:;7,=.尤晋元7?9:A?B操作

13、系统原理,%.7北京1机械工业出版社!=6 7,C.0:D E?(F 7G H E D I J 9:KB L B J E M E B 9 K:I:9 MH 8 E ME:J I J 9 A:,%.7北京1清华大学出版社!=6 7,-.陈莉君78 9:;7N O P Q R S T U V W S X Y R T TZX R V)N W Z*U O R R _ R S U a P O bc d T a R e+f;I:g L A:K)/E H I D J ME:J A h F E B J I:A MMI:!F i E0j I E MLA h k l;9 H ME:J A MMI:mF E j i

14、:A 8 A K L!n E 9 o 9:K6 6-6 p!i 9:I*q+0q 9 I:g 6-6 p!i 9:I*r T a S U Y a 1k G()k Ms E E G H E D I J 9:K(L B J E M*9 B J i Et E D:E 8 A h B A h J?I D E9:MA s 9 8 E9:h A D MI J 9 A:J E D M9:I 8B L B J E M7s E j I;B E A h J i E B H E j 9 h LI:9 u E D B 9 h Ls E J?E E:J i E i I D?I D E A h J i E MA s 9

15、8 E 9:h A D MI J 9 A:J E D M9:I 8!0:k G(M;B J s E B MI 8 8 I:B J I s 8 E h 9 D B J!M;B J s E E J E:s 8 E 70:I D j i 9 J E j J;D E A h G()G H E D I J 9:K(L B J E M*j I:E h gh E j Jj I H I s 9 8 9 J LA h J i E?i A 8 EB L B J E M7vE 9 B j D 9 HJ i EI u I:J I K EA hJ i E#$%;B E 9:G(E B 9 K:!J i D A;K ij

16、 A MH I D 9:KB E u E D I 8 G(J i I J I D Es E 9:K;B E:A?I:?i E D E 7w R dx X S T 1#$%yE Ms E E yA H E D I J 9:KB L B J E MyM9 j D A t E D:E 8)责任编校1程万鑫*zp第-期李元勇!等1通用进程模型)#$%*与嵌入式操作系统开发万方数据通用进程模型(UPM)与嵌入式操作系统开发通用进程模型(UPM)与嵌入式操作系统开发作者：李元勇，贾建勋作者单位：李元勇(装备指挥技术学院,试验指挥系,北京,101416)，贾建勋(装备指挥技术学院,电子工程系,北京,101416)刊名：装备指挥技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF THE ACADEMY OF EQUIPMENT COMMAND&TECHNOLOGY年，卷(期)：2002,13(4)参考文献(4条)参考文献(4条)1.陈莉君 Linux操作系统内核分析 20002.Andrew S T Operating System Design and Implementation 20013.尤晋元 Windows操作系统原理 20014.李善平 Linux操作系统及实验教程 2000 本文链接：http:/