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嵌入式实时操作系统设计方法研究

作　者: 李跃
导　师: 诸昌钤
学　校: 西南交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 嵌入式实时操作系统 微内核 UML 嵌入式文件系统 嵌入式TCP/IP协议
分类号: TP316.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 379次
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内容摘要


嵌入式系统软件开发是目前信息技术领域极具前景的发展方向之一,嵌入式实时操作系统是其核心。由于嵌入式系统在功能、价格等方面的千差万别,寻找合适的商业通用RTOS或自主开发适合本企业的RTOS已成为首要的基础的工作。本论文基于这一背景,以成熟的开源微内核μC/OS-Ⅱ为蓝本,对RTOS中常见的构件如文件系统、TCP/IP协议栈,利用工业标准级建模语言UML,从设计重用角度,对其进行详细分析,总结出RTOS的一般设计方法。最后基于论文所提炼的设计方法,自主开发完成了基于X86平台的可用于教学实践的实时微型多任务操作系统RTSCell。本文的主要工作如下: 1) 分析了UML的扩展部分即实时UML。从嵌入式实时系统主要特征如行为、时间和结构等出发,详细说明UML如何满足实时嵌入式系统建模需要。并引入了模型驱动设计方法(MDA)和Rhapsody建模工具。 2) 以μC/OS-Ⅱ内核为设计参考,采用设计模式思想和UML分析了微内核设计。包括组成内核的构件划分、任务管理、任务间通信机制、内存管理、中断管理、时间管理。抽象提炼出微内核的一般设计方法。 3) 引入嵌入式文件系统,结合当前的主流应用进行了需求说明,随后进行了详细的分析和设计。重点讨论了基于UML的FAT格式的文件系统的设计与实现,并对核心函数实现进行了阐述。 4) 针对目前开源协议栈LwIP进行了详细分析,并利用UML描述了TCP协议实现。简述了x86平台移植要注意的事项。最后描述了兼容NE2000网络芯片的RTL8019AS的硬件特性和收发包流程,并设计了协议测试。 5) 综合上述工作基础,描述了RTSCell的开发背景和规划功能点。RTSCell开发工作基于ROPES方法、设计模式分析、UML建模。整套代码严格限制为1.44MB大小,即普通一张软盘范围,以符合嵌入式开发资源紧张要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 嵌入式实时操作系统发展概论  9-15
  1.1 嵌入式实时操作系统的概念  9-12
    1.1.1 嵌入式实时操作系统的概念  9
    1.1.1 嵌入式实时操作系统的历史及未来  9-11
    1.1.1 RTOS在国内现状  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 论文主要完成的任务  14-15
第2章 UML建模语言与Rhapsody开发环境概述  15-33
  2.1 概述  15-16
  2.2 实时UML语言构造及扩展  16-19
    2.2.1 UML的组织架构和扩展  18-19
  2.3 实时嵌入式领域中的UML  19-27
    2.3.1 行为特征描述  20-24
    2.3.1 时间特征描述  24-26
    2.3.1 结构特征描述  26-27
  2.4 嵌入式系统UML模型驱动设计方法  27-29
  2.5 Rhapsody软件开发环境  29-32
    2.5.1 Rhapsody软件开发方法  31-32
    2.5.1 Rhapsody环境软件调试方法  32
  2.6 本章小结  32-33
第3章 嵌入式实时操作系统微内核分析与设计  33-69
  3.1 嵌入式实时操作系统内核研究背景  33-37
    3.1.1 设计模式和实时UML在内核设计中应用  34-36
    3.1.1 实时微内核的分析与比较  36-37
  3.2 实时微内核的运行环境分析  37-43
    3.2.1 微内核构件  40-42
    3.2.1 微内核容错和异常处理设计  42-43
  3.3 实时微内核的设计分析  43-66
    3.3.1 微内核UML建模  43-54
    3.3.1 微内核任务间通信、同步与互斥  54-57
    3.3.1 微内核上下文切换  57-58
    3.3.1 微内核中断处理  58-60
    3.3.1 微内核内存管理  60-62
    3.3.1 微内核时间管理  62-63
    3.3.1 微内核优先级翻转问题探讨  63-66
  3.4 微内核性能分析  66-68
    3.4.1 微内核实时性分析  66-67
    3.4.1 微内核稳定性分析  67-68
  3.5 本章小结  68-69
第4章 嵌入式文件系统设计分析  69-83
  4.1 嵌入式文件系统引入背景分析  69-70
  4.2 设备驱动和高速缓冲区管理  70-71
  4.3 文件系统的实现  71-79
    4.3.1 嵌入式文件系统静动态模型设计  72-75
    4.3.1 磁盘组成结构及其引导记录区  75-77
    4.3.1 FAT(文件分配表)  77-79
    4.3.1 磁盘文件的目录结构  79
  4.4 文件系统API和实现算法举例  79-82
  4.5 本章小结  82-83
第5章 嵌入式TCP／IP协议栈实现设计分析  83-107
  5.1 嵌入式TCP／IP协议栈引入背景  83
  5.2 嵌入式开源TCP／IP协议栈LwIP简介  83-85
    5.2.1 LwIP简介  85
  5.3 LwIP的进程模型及实现  85-91
    5.3.1 LwIP进程模型  85-87
    5.3.1 LwIP协议栈的实现  87-91
  5.4 LwIP的编程接口  91-92
  5.5 LwIP的内存管理机制  92-97
    5.5.1 内存需求分析  92-93
    5.5.1 内存管理的实现  93-97
  5.6 LwIP的移植过程  97-101
    5.6.1 LwIP的定时机制  99-100
    5.6.1 LwIP的网络接口  100-101
  5.7 NE2K兼容芯片驱动程序的设计  101-104
  5.8 本章小结  104-107
第6章 嵌入式实时操作系统RTSCell的设计与开发  107-113
  6.1 RTSCell背景介绍  107-108
  6.2 RTSCell功能点需求分析  108
  6.3 RTSCell体系架构设计  108-109
  6.4 RTSCell机制设计  109
  6.5 RTSCell详细设计  109-111
  6.6 RTSCell工程实践  111-112
  6.7 本章小结  112-113
结论和未来工作展望  113-114
致谢  114-115
参考文献  115-117
攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目  117

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机软件 > 操作系统 > 实时操作系统
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