嵌入式Linux操作系统实时性研究.pdf

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1、嵌入式操作系统应用中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与S O C)2 0 0 7 年第2 3 卷第6 2 期文章编号：1 0 0 8 0 5 7 0(2 0 0 7)0 6 2 0 0 7 0-0 3嵌入式L in ux 操作系统实时性研究T h eR e s e a r c ho fE m b e d d e dL i n u xO p e r a t i n gS y s t e m SR e a l-t i m e(齐齐哈尔大学)王发智李会祁晓钰李丽W A N GF A Z H IL IH U IQ IX l A O Y UL I L l摘要：本文通过对L i n u x 操作优势和不足进

2、行分析，发现L i n u x 关于实时进程的优先级没有涉及到实时进程的截止时间和进程的重要程度，为了增强L i n u x 的关于实时进程的处理，本文并提出了一种优化改进调度算法。同时，根据项目的要求对L i n u x 的内核等进行了改造。关键字：嵌入式；操作系统；实时性；L i n u x中图分类号：7 1 1)3 1 6 2文献标识码：BA b s t r a c t：T h a t t h er e a l-t i m ea,t、，q n c e m e n tp r i o r i t yo fL i n u xd o e sn o ti n v o l v ec u t o f

3、ft i m ea n dt h ea d v a n c e m e n ti m p o r t a n td e g r e ei sd i s c o v e r e di nt h ea r t i c l et h r o u g ht h ea n a l y s i st ot h eL i n u xo p e r a t i o n Ss u p e r i o r i t ya n di n s u f f i c i e n t，I no r d e rt os t r e n g t h e nr e a l t i m ea d v a n c e m e n tp

4、 r o c e s s i n go fL i n u x，t h i sa r t i c l ep r o p o s e so n ek i n do fo p t i m i z e da n di m p r o v e dd i s p a t c ha l g o r i t h m A tt h es a m et i m e，e a r r yo nt h ei m p r o v e m e n tt ot h eL i n u xk e r n e la c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tr e q u e s t K e yw o

5、 r d：E m b e d d e d，O p e r a t i n gs y s t e m，R e a l-l l m e，L i n u x刖吾实时操作系统是指一个能够在指定时间范围内完成特定的功能或者对外部的异步事件做出响应的操作系统。嵌入式操作系统由于应用的需要和硬件条件的限制，使得它同普通的台式计算机的操作系统不同。它要满足处理与时间的关系。必须能够保证对每个进程的时间性要求，即保证在要求的时间内完成相应的任务。在相当一部分嵌入式系统中，系统的实时性在整个系统中起至关重要的作用。因此，关于嵌入式操作系统的实时性研究有着重要的意义。1 引入嵌入式实时操作系统的必要性实时操作系统是

6、一段程序，是在系统启动之后在后台运行着的软件程序。应用程序则是运行在这个后台之上的多个任务。不同的任务执行不同的要求，包括资源管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。每个任务有自己的优先级别，实时操作系统根据每个任务的优先级别来动态切换各个任务，保证实时性的要求。台式机的操作系统追求的是性能的平均性，而实时操作系统追求的是实时性。随着用户对嵌入式系统要求的不断提高，嵌入式操作系统的应用不仅仅要局限于只对系统级的需求，而且要满足用户级的要求。过去很多嵌入式系统不是一个操作系统，或者是提供商用软件的专有核心，或者是D O S 操作系统的扩展。显然这些方法并不能适应今天嵌入式系统开发的要求。现有的

7、一些商业实时操作系统，尽管提供了很小的核心和多任务开发环境，但性能并不理想，也不符合现在实时嵌入式市场的需求。因此，人们把目光投向了通用操作系统，希望把它们“改造”为实时操作系统。通常这些操作系统功能强大，结构复杂，易于软件的二次开发，王发智：讲师硕士基金项目：黑龙江省教育厅科学技术项目：单片机低运算能力嵌入式系统信号处理算法研究(1 1 5 1 1 4 4 5)实用性强，并且提供编程人员熟悉的标准A P I。此外，这些操作系统也提供了一些对实时软件开发的支持。然而，这些操作系统用于嵌入式系统的开发还存在不足。嵌入式系统要求具备高可靠性，满足应用需求的可剪裁性，以及比通用操作系统要求更高的实时

8、性。做为嵌入式系统开发的解决方案，L i n u x 在众多通用操作系统中具有独一无二的优势。2L i n u x 作为实时操作系统的优势L i n u x 诞生于1 9 9 1 年，它是一个真正的多任务、多平台、支持多处理器、安全可靠的操作系统。嵌入式L i n u x 是指对L i n u x小型化裁减后，能够固化在容量有限的存储器芯片中，应用于特定嵌入式场合的L i n u x 操作系统。因为L i n u x 自身的优点使其非常适合做为嵌入式操作系统，其优点表现为以下几个方面：(1)开发成本小，源代码公开；大多数商业操作系统都是价格昂贵的，L i n u x 是一个免费的性能优秀的操作

9、系统。而且源代码公开，使不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要对内核进行裁减。(2)可靠性高，稳定性好，容易移植；同目前流行的操作系统相比，L i n u x 是非常稳定和可靠的，这一点已经得到很多用户的肯定。也是一个多平台的操作系统，可以运行在很多种处理器上。这一点对于嵌人式的应用尤其重要。(3)强大的网络功能；几乎所有的网络协议和网络接口都已经订制在L i n u x 中。L i n u x 的内核比标准的U N I X 更加高效率的处理网络协议，系统的网络吞吐两性能好。也是因为这样，L i n u x在网络服务器上占据越来越大的市场份额。(4)功能强大的开发工具；L i n u

10、x 提供C、c+、J a v a 等很多开发工具，而且开发者可以免费获得。L i n u x 具备这么多的工具，使得用户可以自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，而且可以不用专门的仿真工具直接在L i n u x 内核调试即可。正是由于L i n u x 具有上述的诸多优势，使得它近几年在嵌入式应用领域发展迅速。嵌入式实时L i n u x 的开发和研究成为一7 0 3 6 0 元，年邮局订阅号：8 2-9 4 6 万方数据嵌入式操作系统应用目前操作领域的一个热点。3L i n u x 作为实时操作系统存在的不足L i n u x 虽然有很多优点。但是，L i n u x 实时f 生的不

11、足也是它应用上的一个重要障碍。主要表现在以下方面：(1)内核的不可抢占性；抢占性是指当系统中出现一个优先级高于当前运行进程的进程时，系统立刻中断当前正在运行的进程，马上切换给优先级高的进程。如果一个系统不具备抢占性，当高优先级的进程到来的时候，它也要先运行完当前的普通进程后才能切换给高优先级进程。实时性的要求是高优先级的进程可以抢占低优先级的进程。对于L i n u x 系统来说，在这方面还有待改造，以便对实时进程做出及时的反映。(2)进程调度的不可抢占性；L i n u x 操作系统为了实现的方便，屏蔽掉了强制性调度。对于每个进程L i n u x 都分给它一个时间片，即使高优先级的进程也只

12、能等待其它进程用完时间片，才能开始使用属于自己的时间片。这样，我们很难判断一个实时性的进程要经过多少时间才能被调用。这也是L i n u x 做为实时操作系统的一个弱点。(3)时钟中断的精度不高；L i n u x 的任务调度的时间精度虽然达到了l O m s，但是这无法满足一些对时间精度要求苛刻的实时应用。时钟精度的选择很重要，精度太高，虽然系统反映快，但是系统的负载量加大，开销就大。精度太低，就不能保证实时性。所以，要对系统时钟精度进行折中考虑。(4)其它方面；比如L i n u x 系统的额外操作、缓冲机制等也不利于实时性进程的及时响应。综上所述，L i n u x 必须经过改造才能满足

13、实时性。通过对L i n u x 的内核改造以提高系统的实时性。4 改进的方案4 1 调度算法的优化目前实时系统的调度算法主要有先进先出算法(F i r s tI na n dF i r s tO u t，F I F O)、单调速率算法(R a t eM o n o t o n i c，R M)、最早截止时间优先算法(E a r l i e s tD e a d l i n eF i r s t，E D F)、价值最高优先算法(H i g h e s tV a l u eF i r s t，H V F)等。L i n u x 一共有三类可执行进程：普通的非实时进程S C H E D _ O T

14、 H E R，采用基于动态优先级的先进先出(F I F O)调度策略；实时进程S C H E D F I F O，遵守P O S I X l b标准的F I F O 调度规则；实时进程S C H E D R R，遵守P O S I X l b标准的循环r o u n d r o b i n，R R)调度规则。在对L i n u x 改造成实时系统的过程中要考虑几方面的问题：(1)允许高优先级的进程(如系统调用)抢占C P U，改进后的调度算法应无条件支持可抢占式调度。(2)硬实时系统是不支持时间片轮转调度策略的。在不改变时间片长度的前提下，改进后的L i n u x 实时系统将是软实时系统。(

15、3)建立等待进程优先级的主要依据是进程的重要性。实时系统调度算法应综合考虑进程的重要性和进程完成截止时间两个概念，以保证实时进程在截止时间内尽可能多的完成。每个进程的优先级计算按如下公式：Y=A+K(P(T 1 一T 2)，Y 表示进程的优先级，A 表示进程的重要性，K 为常数因子，P 表示进程的执行时间，T 1 表示截止时间，他表示等待时间。P(T 1-T 2)表示进程的紧急程度，值越大，则表示该进程越应该先执行。改进之后，对于重要性相同的进程，采用F I F O 调度策略。对重要性不同的进程则按照上述公式计算，然后根据计算结果决定先执行哪一个。4 2 对L i n u x 的改造嵌入式系统

16、对软件的体积有着严格的要求。在台式计算机上应用的L i n u x 操作系统有很多功能根本不可能在嵌入式系统中应用。好在我们可以对L i n u x 进行改造，以使它适合我们自己的系统。改造可以从内核、函数库、文件系统等方面进行。(1)内核的改造；L i n u x 内核包括进程管理、内存管理、设备管理等方面。在L i n u x 操作系统中，过多的服务增加了系统运行的开销，占用系统的存储资源，降低了系统效率。所以要根据项目的实际情况对内核进行改造。通过改造，去掉内核不需要的模块，来提高系统的执行效率。但是并不是说越小越好。还要考虑系统的完整性，兼容性和可扩展性。在配置过程中，大部分选项可以使

17、用其缺省值，只有小部分需要根据用户不同的需要选择。选择的原则是将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块，有利于减小内核的长度，减小内核消耗的内存，简化该功能相应的环境改变时对内核的影响；不需要的功能就不要选；与内核关系紧密而且经常使用的部分功能代码直接编译到内核中。在选项C o d em a t u r i t yl e v e lo p t i o n s、L o a d a b l em o d u l es u p p o f l、P r o c e s s o rt y p ea n df e a t u r e s lN e t w o r k i n g

18、o p t i o n s、N e t w o r kd e v i c es u p p o r t、I S D Ns u b-s y s t e m、C h a r a c t e rd e v i c e s 等分别选择适合自己所需要的项目。F i l es y s t e m s 建议选择相应的项目，为了以后扩充使用。(2)函数库的改造；在内核启动之后，将会有一些工具程序来完成初始化，同时加载应用程序。根据这些程序编写的高级计算机语言的不同，来加载不同的程序。我们选用的是c 语言。在这些程序运行时与共享库动态连接。将所需要的共享目标映射到应用程序内存。关于共享库，我们采用的方式是直接使

19、用针对嵌入式应用的经过精简的l i b c 库。(3)启动脚本的改造；L i n u x 系统在启动和推出的时候使用了较多的脚本，用来启动或者停止系统的服务进程。如挂接跟文件系统，读取网络设置，检查文件系统等。对于嵌入式系统来说，这些都是不必要的。浪费有限的存储空间。改造的办法是：方面保留其执行机制，即仍然是在启动的时候调用启动脚本。但是对内容进行简化。例如，普通的L i n u x 一般开6 个虚拟控制台，根据我们的需要只保留一个控制台。另一方面使系统中的初始化指向自己编写的初始化脚本。因为我们自己初始化脚本是专门针对我们自己的项目而开发的。(4)文件系统的改造；文件系统中的诸如帮助文件等都

20、不必要保留。对于大多数嵌入式系统来说，文件系统都是不必要的。但是考虑到以后可能会用上，所以建议在资源够用的情况下保留部分文件系统。5 系统性能分析为了验证本文所提出的调度算法和改进的方法，将两种算法进行了仿真对比实验。每次实验数据都是5 0 个独立实验样本的运算结果的算术平均值，样本中相关参数定义如下：(1)进程集共有1 0 0 个进程，包括实时进程和非实时进程，在截止时间内全部随机产生；(2)进程集中实时进程产生的概率小于0 1，非实时进程产生的概率大于0 9；(3)实时进程的重要性由1 0 0 0 到11 0 0 之间随机选择，非实时进程的重要性由1 到9 9 之间随机选择，都服从均匀分布

21、；啪罔邮局订8 2 _ 9 4 63 6 0 元-7 1 万方数据嵌入式操作系统应用中文核I B：I T U 微计算机信息(嵌入式与S O C)2 0 0 7 年第2 3 卷第6-2 期(4)绝对截止时间T 1 为1 8 0 0 0 个时间单元；(5)时间片为2 0 0 个时间单元；(6)当系统严重过载时，实时调度算法的执行效率都很低，失去现实研究意义，这里不做讨论。实验对比结果如图l 所示。01234567图1 实验对比结果6 结论本文的创新点在于：发现L i n u x 关于实时进程的优先级没有涉及到实时进程的截止时间和进程的重要程度，为了增强L i n u x的关于实时进程的处理，提出了

22、一种优化改进调度算法。嵌入式实时系统在许多领域得到了广泛的应用。实时系统的进程可调度性分析和嵌入式软件测试的设计，对保障系统的安全运行和高效性能意义重大，这也是当前实时系统研究中的重要内容之一。论文针对目前需要解决的问题对嵌入式实时系统关键技术从理论方法和实际应用方面进行了解决。对比实验结果表明，优化后的算法与优化前相比，可以实现较高的进程完成率，从而有效地提高了系统的实时陛能。参考文献 1】孟菊，王金海等基于A R M 和D S P 的嵌入式智能仪器系统设计【J】微计算机信息，2 0 0 6，6 2：2 2 2 f i l j 思轶嵌入式L i n u x 设计与应用 M】北京：清华大学出版

23、社，2 0 0 2：6 6 1 5 8【3】雷澎L i n u x 的内核与编程D 印一E 京：机械工业出版社，2 0 0 0：5 7-9 6 4 W i l l i a mS t a l l i n g s 美，操作系统内核与设计原理 M】北京：电子工业出版社2 0 0 l：5 5 6 3【5】周德新，张向利L i n u x 与嵌入式操作系统桂林电子工业学院学报【J】2 0 0 0，4 期作者简介：王发智(1 9 7 6 一)，男，黑龙江省齐齐哈尔市人，齐齐哈尔大学通信工程与电子学院讲师，硕士，主要从事嵌入式系统、单片机、电子及过程自动化。B i o g r a p h y：W a n g

24、F a z h i(1 9 7 6 一)，m a l e，t h eH e i l o n g j i a n gP r o v i n c eQ i q i h a e rc i t yp e o p l e，t h eQ i q i h a e rU n i v e r s i t yc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n ga n dt h ee l e c t r o n i ci n s t i t u t el e c t u r e r s，m a s t e r，m a i n l ya r ee n g a g e di ni

25、 n s e r tt h et y p es y s t e m，t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t，e l e c t r o n i ca n dt h ep r o c e s sa u t o m a t i o n(1 6 1 0 0 6 黑龙江齐齐哈尔大学通信工程学院齐齐哈尔)王发智李会祁晓钰李丽(I n s t i t u t ef o rC o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g，Q i q i h a rU n i v e r s i-t y，Q

26、i q i h a r，H e i l o n g j i a n gC h i n a1 6 1 0 0 6)W a n gF a z h iL i H u iQ i X i a o y uL i f i通讯地址：(1 6 1 0 0 6 黑龙江齐齐哈尔大学通信学院)王发智(稿日期：2 0 0 7 4 2 3)(修稿日期：2 0 0 7 5 2 5)(上接第6 9 弼数据运算和保护动作执行任务采用消息队列方式向通信任务和L C D 显示任务传送数据。由于通信任务有时会因为网络堵塞等问题延时一段时问才发送信息，所以它们之间的通信可采用消息队列，以先进先出的方式使来不及发送的消息在队列里存放一段

27、时间再发送，这样就不会造成数据的丢失。3 4 系统运行系统运行时，首先进行系统初始化操作，初始化所有数据结构，分配堆栈空间，然后调用系统功能函数O S T a s k C r e a t e 0 进行任务建立，并且分配任务优先权，再调用系统功能函数O S S e m C r e a t e 0、O S M b o x C r e a t e 0 和O S Q C r e a t e 0 建立任务间通信的信号量、消息邮箱或者消息队列。在调用系统功能函数O S S t a r t 0后，斗C O S I I 首先在就绪任务列表中找到优先级最高的那一个，然后关闭中断把该任务的堆栈复制到系统堆栈中，接

28、着开中断并执行R E T I 指令，这样，该任务就以最高优先级运行了。4 结束语肛c 0 s I I 是一套优秀的嵌入式实时操作系统，它在很多领域中得到了广泛的应用。将该操作系统应用于配电室监控系统中，满足了系统对实时性的严格要求，大大提高了系统的稳定性和可靠性。因此，基于灿C O S I I 的配电室监控终端有着广阔的发展和应用前景。本文作者创新点：配电自动化终端设备是电力自动化系统的重要组成部分，位于基础层。但是长期以来，在我国电力自动化过程中，只注重发电和输电，不重视配电，所以我国配电自动化的发展却仍处于起步阶段，对于应用于低压配电室的智能监控终端的研究更是少之又少。本文研究了基于C 8

29、 0 5 1 F 0 2 0 M C U的配电室监控终端的设计方案，并引入了斗c，0 s I I 实时操作系统，满足了系统实时性和稳定性的要求。本系统的研发具有非常大的实际意义和应用前景。参考文献 1 黄元峰，李育清，姜生元基于I x C O S 的嵌入式系统应用开发研究 J】微计算枫信息，2 0 0 6 5：1 0 8 11 0 2】潘琢金，施国君8 0 5 1 F X X X 高速S O C 单片机原理及应用f M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 5【3】(美)拉伯罗斯著，邵贝贝译嵌入式实时操作系统t z C O S I I(第二版)【M 北京：北京航空航天大学出版社2 0

30、0 3 5 4】(美)拉伯罗斯著，袁勤勇等译嵌入式系统构件 M】北京：机械工业出版社2 0 0 2 2作者简介：刘柳，男，1 9 8 3 一，汉族，北京机械工业学院计算机及自动化系硕士研究生，研究方向：计算机测控系统及现场总线技术，嵌人式系统应用；王东兴，男，1 9 4 7 一，汉族，北京机械工业学院计算机及自动化系，教授，从事计算机测控系统及现场总线技术的研究及教学工作。B i o g r a p h y：L i ul i u(1 9 8 3 一)，M a l e，t h eH a nn a t i o n a l i t y，a np o s t g r a d u a t es t u

31、d e n tf r o mD e p a r t m e n to fC o m p u t e ra n dA u t o m a t i o n，B e i j i n gi n s t i t u t eo fm a c h i n e r y，m a j o ri nc o m p u t e rm e a s u r e da n dc o n t r o ls y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e m(1 0 0 嬲5 北京市北京机械工业学院计算机及自动化系)刘柳王东兴通讯地址：(1 0 0 0 8 5 北京北京机械工业学院4 4 信箱)刘

32、柳(稿日期：2 0 0 7 4 2 3)(修稿日期：2 0 0 7 5 2 5)一7 2 3 6 0 元，年邮局订阅号：8 2 9 4 6O98765Lc；c；c；O0 万方数据嵌入式Linux操作系统实时性研究嵌入式Linux操作系统实时性研究作者：王发智，李会，祁晓钰，李丽，WANG FAZHI，LI HUI，QI XIAOYU，LI LI作者单位：161006,黑龙江,齐齐哈尔大学通信工程学院齐齐哈尔刊名：微计算机信息英文刊名：CONTROL&AUTOMATION年，卷(期)：2007,23(17)参考文献(5条)参考文献(5条)1.周德新;张向利 Linux与嵌入式操作系统期刊论文-桂林电子工业学院学报 2000(04)2.William Stallings 操作系统-内核与设计原理 20013.雷澎 Linux的内核与编程 20004.邹思轶 嵌入式Linux设计与应用 20025.孟菊;王金海 基于ARM和DSP的嵌入式智能仪器系统设计期刊论文-微计算机信息 2006(6-2)本文链接：http:/