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实时操作系统内核研究及中断管理的硬件实现

作　者: 贾小梨
导　师: 李岩
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 实时操作系统 μC/OS-Ⅱ 内核 中断管理 栈空间管理器
分类号: TP316.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 37次
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内容摘要


实时操作系统(Real-time Operating System,RTOS)是基于可剥夺式的CPU调度方式,以其实时性强,可靠性好,移植性方便,安全性能好等优点,被广泛运用在航空航天、工业控制,汽车电子和核电站建设等众多领域。本文针对实时操作系统内核结构、μC/OS-Ⅱ的任务管理和任务调度等理论技术做了较详细的剖析;针对实时操作系统中栈空间管理、中断管理等关键技术进行了深入的研究并实现了硬件化设计。首先,本文深入探讨了实时操作系统的系统特点和体系结构,在此基础上,分析了开源的嵌入式系统μC/OS-Ⅱ,从内核结构上阐述了μC/OS-Ⅱ的任务管理的方法,任务调度的执行方式,由此得出任务管理是通过任务控制块来连接整个系统。其次,对目前的几种典型的RTOS进入了深入研究,发现随着系统功能的完善,RTOS不得不与更多的外围设备交互,任务管理和任务调度会变得更加复杂,实时性和可靠性得不到满足。针对实时性问题,提出将内核硬件化设计的思想,将系统的体系结构划分为软核和硬核,硬核作为协处理器管理应用任务,提高系统的实时性,使系统的性能得到明显的提高。以μC/OS-Ⅱ为研究对象,针对任务栈空间浪费,造成RAM不足的情况的问题,提出一种改进的任务栈空间管理方法,将任务栈空间划分为任务栈和中断嵌套栈。根据划分的结构,实现了基于FPGA(Field-programmable Gate Array,现场可编程门阵列)平台栈空间管理的硬件化设计,实现任务栈空间的硬件化管理。研究表明采用该方法有效解决了内存空间的问题,同时使中断切换的频率减少,提高了处理器的执行效率。最后,在分析μC/OS-Ⅱ系统中断管理时,发现CPU需要频繁扫描时钟节拍中断服务子程序。为了减少CPU的压力,设计了基于FPGA的中断管理系统,在中断管理系统中划分了中断源管理模块,中断向量管理模块,时钟节拍中断管理模块并对各模块硬件化实现。通过对仿真图的结果分析,中断管理硬件化实现可以有效节约了CPU的资源,提高了处理器的执行效率。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 选题的背景与目的  10-11
  1.2 实时操作系统研究现状  11-12
  1.3 中断管理国内外研究现状  12-14
    1.3.1 国外研究现状  12-13
    1.3.2 国内研究现状  13-14
  1.4 主要研究内容  14-15
  1.5 论文结构安排  15-16
第2章 实时操作系统的特征  16-24
  2.1 实时操作系统的特点  16-17
  2.2 实时操作系统的结构  17-18
  2.3 实时操作系统的体系结构  18-20
  2.4 典型的RTOS  20-22
  2.5 RTOS 发展趋势  22
  2.6 本章小结  22-24
第3章 实时操作系统内核分析  24-36
  3.1 μC/OS-Ⅱ任务管理和任务调度  24-26
    3.1.1 任务管理  24-25
    3.1.2 任务调度  25-26
  3.2 μC/OS-Ⅱ任务堆栈  26-27
    3.2.1 堆栈空间的分配方式  26-27
    3.2.2 μC/OS-Ⅱ的堆栈检验  27
  3.3 μC/OS-Ⅱ的中断管理  27-30
    3.3.1 μC/OS-Ⅱ中断任务管理  28-29
    3.3.2 μC/OS-Ⅱ时钟节拍中断  29-30
  3.4 硬件实时操作系统的工作流程  30-32
  3.5 硬核内部结构  32-34
  3.6 本章小结  34-36
第4章 堆栈空间的硬件实现  36-45
  4.1 堆栈空间结构和大小计算  36-39
    4.1.1 堆栈空间结构  36-37
    4.1.2 堆栈空间大小计算模型  37-39
  4.2 栈空间硬件设计总体结构  39-40
  4.3 栈空间管理器VHDL 设计  40-44
    4.3.1 状态控制逻辑模块  41-42
    4.3.2 地址产生逻辑模块  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第5章 中断管理硬件实现研究  45-55
  5.1 中断管理总体设计框架研究  45-48
    5.1.1 中断管理总体框架分析  45-46
    5.1.2 中断处理流程分析  46-48
  5.2 中断管理模块的总体结构  48-50
  5.3 中断管理模块的硬件设计  50-54
    5.3.1 中断源管理逻辑  50-51
    5.3.2 中断向量管理逻辑  51-52
    5.3.3 中断嵌套逻辑  52
    5.3.4 时钟节拍管理逻辑  52-54
  5.4 本章小结  54-55
第6章 实验平台及仿真结果分析  55-65
  6.1 XUP Viterx PRO-Ⅱ开发板概述  55-56
  6.2 基于FPGA 的设计及开发流程  56-57
  6.3 软件环境ISE 的开发流程  57-60
  6.4 时序仿真与结果分析  60-64
    6.4.1 栈空间管理器仿真结果及分析  60-63
    6.4.2 中断管理仿真结果及分析  63-64
  6.5 本章小结  64-65
结论  65-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  71-72
致谢  72

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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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