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基于单触发时钟的嵌入式Linux实时技术研究与优化

作　者: 王文竹
导　师: 吴庆波
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 嵌入式Linux 实时单触发时钟高精度定时器实时调度算法 PowerPC
分类号: TP316.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 30次
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内容摘要

近年来,嵌入式系统在军事、工业、航天等重要领域得到了广泛应用,同时这些领域对系统的实时性也提出了越来越高的要求。相对于其它嵌入式操作系统,Linux具有开放源代码、可裁剪、性能稳定、可靠性高、支持SMP体系结构等特点,目前基于Linux的嵌入式系统应用案例越来越丰富。本文对嵌入式Linux中的时钟机制、计时系统、时间戳系统、定时器系统以及调度框架和调度算法进行了深入的分析。在此基础上,针对嵌入式Linux在实时性能上所面临的问题,基于单触发时钟对其进行了实时优化。在时钟系统方面,本文首先实现了单触发时钟,并基于单触发时钟设计了资源控制器OTRC(One-shot Timer Based Resource Controller,OTRC)。OTRC主要用于管理系统中的资源(如CPU等),并根据具体的实时需求来控制时钟中断的时间。另外,改造了计时系统,保证了系统在单触发时钟下计时的正确性。在定时器系统方面,设计了高精度定时器系统。该系统基于OTRC对定时器队列的管理,可以得到微秒级的时钟精度。另外利用时间戳计数器设计了细粒度的时间戳系统,为高精度定时器系统提供了准确的时间度量。改造后的高精度定时器系统能够达到微秒级的定时精度。在调度算法上,提出了OBED(OTRC Based EDF Scheduling,OBED)实时调度算法,并设计了新的实时调度框架。该框架将实时进程和非实时进程分开管理,对实时进程使用EDF调度算法,而对非实时进程使用Linux原有的调度算法,并利用OTRC对进程的执行进行管理和控制。OBED算法综合了两种算法的优点,既能够保证实时进程的时间约束条件,又可以提高非实时进程的性能,达到了提高系统吞吐率的目的。最后,本文在PowerPC嵌入式平台上实现了单触发时钟系统、细粒度时间戳系统、OTRC资源控制器和高精度定时器系统,并实现了OBED实时调度框架的原型系统。测试结果显示,改进后的系统在实时性方面有了很大的提高。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-17
  1.1 引言  11-12
  1.2 嵌入式系统中的实时概念  12-14
  1.3 本文工作  14-15
  1.4 论文结构  15-17
第二章相关研究  17-27
  2.1 基于Linux 的实时操作系统  17-20
    2.1.1 KURT-Linux  17-18
    2.1.2 RTLinux 和RTAI  18-19
    2.1.3 RED-Linux  19
    2.1.4 RFRTOS  19-20
  2.2 高精度定时器  20-23
    2.2.1 定时器系统  20-21
    2.2.2 时间戳系统的发展  21-22
    2.2.3 高精度定时器的发展  22-23
  2.3 实时调度算法研究  23-26
    2.3.1 实时调度算法  23-24
    2.3.2 EDF 及其改进算法  24-26
    2.3.3 RBED 实时调度算法  26
  2.4 本章小结  26-27
第三章基于单触发时钟的资源控制器设计  27-38
  3.1 Linux 计时系统  27-28
  3.2 单触发时钟系统  28-32
    3.2.1 时钟设备及其工作模式  28-29
    3.2.2 计时系统设计  29-30
    3.2.3 单触发时钟系统设计  30-32
  3.3 资源控制器OTRC 设计  32-37
    3.3.1 OTRC 对系统资源的管理  33
    3.3.2 OTRC 模型  33-36
    3.3.3 OTRC 与单触发时钟系统  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章基于单触发时钟的高精度定时器技术  38-48
  4.1 定时器系统分析  38-39
    4.1.1 Linux 内核定时器  38-39
    4.1.2 定时精度分析  39
  4.2 增强定时精度的改进方法研究  39-42
    4.2.1 红黑树结构研究  39-40
    4.2.2 OTRC 管理定时器资源  40-41
    4.2.3 细粒度的时间戳系统  41-42
  4.3 高精度定时器设计  42-47
    4.3.1 时钟设备管理器设计  42-43
    4.3.2 时间戳系统设计  43-45
    4.3.3 高精度定时器框架  45-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章混合任务的资源控制实时调度技术  48-59
  5.1 Linux 调度器分析  48-51
    5.1.1 调度器使用的数据结构  48-49
    5.1.2 进程调度策略  49-50
    5.1.3 Linux 调度器  50-51
  5.2 OBED 进程调度算法  51-56
    5.2.1 进程的描述符号定义  51-52
    5.2.2 基于OTRC 的进程调度策略  52-53
    5.2.3 基于OTRC 的OBED 实时调度算法  53-56
  5.3 基于OTRC 的实时调度框架  56-58
    5.3.1 OTRC 对进程的控制  56-57
    5.3.2 OTRC 与调度器  57
    5.3.3 基于OTRC 的实时调度框架  57-58
  5.4 本章小结  58-59
第六章实现及测试  59-70
  6.1 高精度定时器的实现  59-62
    6.1.1 红黑树的实现  59
    6.1.2 OTRC 管理定时器对象  59-60
    6.1.3 细粒度时间戳  60-61
    6.1.4 高精度定时器系统实现  61-62
  6.2 实时调度框架的实现  62-65
    6.2.1 OTRC 对进程管理的实现  62-63
    6.2.2 OTRC 与调度器  63-64
    6.2.3 实时调度器的实现  64-65
  6.3 性能测试  65-69
    6.3.1 高精度定时器的性能测试  65-66
    6.3.2 实时调度器的性能测试  66-69
  6.4 本章小结  69-70
结束语  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
作者在学期间取得的学术成果  75

基于单触发时钟的嵌入式Linux实时技术研究与优化

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