嵌入式Linux操作系统的实时技术分析.pdf

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1、2 0 1 0 年8 月电脑学习第4 期嵌入式L i n u x 操作系统的实时技术分析谢平陈冕摘要：分析了L i n u x 操作系统的优势。阐述了L i n u x 支持硬实时性的技术障碍。并对三种实时L i n u x 操作系统进行了分析和评价。关键词：嵌入式b n u操作系统实时技术中图分类号：T P 3 1 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 2 4 2 2(2 0 1 0)0 4 0 0 0 6-0 3A n a l y s i so nR e a l-t i m eT e c h n o l o g yo fE m b e d d e dL i n u xO p e r a

2、 t i n gS y s t e mX i eP i n gC h e r tM i a nA b s t r a c t：T h ep a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e dL i n u xo p e r a t i o ns y s t e m，a n dr e p r e s e n t st h et e c h n i c a lb a r r i e r sf o rL-i n u xt oe u p p o r th a r dr e a l t i m e，f i n a l l y，

3、a l y ma n de v a l u a t e st h r e er e a l t i m el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m K e y w o r d：E m b e d d e dl A n u xO p e r a t i n gS y s t e mR e a l t i m eT e c h n o l o g ylL i n u x 操作系统的优势嵌入式L i n u x(E m b e d d e dL i n u x)是指对L i n u x 经过小型化裁减后，能够固化在几百K B 到几M B 的存储器芯片或单片机中，应用

4、于特定嵌入式场合的专用L i n u x 操作系统，保留了L i n u x 以整体式结构为基础，多任务多进程的特点，满足了对嵌入式系统高度简练、界面友好、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的要求。与其他的嵌入式操作系统相比，嵌入式L i n u x 具有一些独特的优势，主要表现为以下几方面：(1)开发成本低。L i n u x 操作系统不仅性能优良，而且不需要版权费，购买费用只需支付媒介成本。同时，L i n u x 是自由软件，公开源代码，各种不同领域和不同层次的用户都可以根据自己的应用需要对内核进行改造，在低成本的前提下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统(2)强大的

5、网络支持功能L i n u x 诞生于I n t e r n e t 并具有U N I X 的特性，支持所有标准I n t e m e t 协议，L i n u x 天生就是一个网络操作系统。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 内核在处理网络协议方面比标准的U N I X 更具执行效率，具有更高的吞吐量。(3)高度稳定性和目前流行的桌面操作系统相比，L i n u x 是非常稳定和可靠的，并且由于内核的稳定使得L i n 1 1)【在移植到特定平台后与通用平台具有一样的高稳定性(4)易移植性L i n u x 是一个多平台的操作系统，可以运行于x

6、 8 6、A R M、p o w e r P C、M I P S 等多种处理器之上，这一点对嵌入式应用非常重要。(5)完整的开发工具链L i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍L i n u x 提供C、C+、J A V A 以及其它很多的开发工具L i n u x 基于G N U的工具包提供了完整的、无缝的交叉平台开发工具，从编辑器到底层调试，并充分考虑了支持各种不同体系结构的平台。(6)L i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是R I S C 还是C I S C、3 2 还是“位等各种处理器，L

7、i n u x 都能运行。L i n u x 最通常使用的微处理器是I n t e lX 芯片家族，但同样能运行于M o t o r o l a 公司的6 8 K 系列C P U 和I B M、A p p l e、M o t o r o l a 公司的P o w e r P CC P U 以及I n t e l 公司的S t r o n gA R MC P U 等处理器系统，这意味着嵌入式U n u x 将具有更广泛的应用前景。2L i n u x 支持硬实时性的技术障碍(1)内核非抢占L i n u x 下有用户态和核心态两种模式，当进程运行在用户态时，很容易被优先级更高的进程抢占但当进入核

8、心态时(比如通过系统调用f o r k 进入核心态)，则其它的用户态的进程优先级即使更高，比如实时进程，也不能抢占处于核心态的低优先级的普通进程。这是因为L i n u x 内核本身是不可抢占的f I】。当进程调用系统调用而进入核心运行时，即使出现了一个具有更高优先级的进程，该任务也只有等待系统调用返回后才能抢占低优先级的进程。这一算法与硬实时应用中优先级高的就绪任务可以抢占低优先级任务调用的系统调用相背离。(2)虚拟内存L i n u x 采用了虚拟内存管理技术，其目的是为了提高内存的利用率。进程对内存的访问必须通过地址映射将逻辑地址转换为物理地址。当内存不能满足新的要求时，操作系统将选择一

9、部分分配内存，将其中的数据凸-印、二 _ N u A Z、二吊N o 气z u 吊_ N 疗_ N o 印u A Z q 南_ N o Z u 小，N A o A y、：府N y 弋疗_ N、Z、二疗N 疗气Z 庸，：，N o y、二疗气Z、：u A y，v【3】周威，谷奇平，常显奇建模W&A 与仿真W&A 比较之浅见工程大学学报(自然科学版)2 0 0 6，7(5)：9 1 9 4 叨北京：计算机仿真，2 0 0 5，2 2(5)：6 0 6 3【5】刘兴堂，刘力，孙文仿真系统w A 及其标准慨范研究【J】【4】吴晓燕，刘兴堂，任淑红仿真系统W&A 研究【J】陕西：空军北京：计算机仿真2 0

10、 0 6，2 3(3)：6 1 6 6 收稿日期：2 0 1 0-0 6-0 5谢平娄底职业技术学院实验师(湖南，娄底4 1 7 0 0 0)6。万方数据写入交换分区。然后对这段内存进行再分配。这一方法仅对没有时间要求的L i n u x 进程有效。然而，实时任务首先必须满足时间的确定性。如果一个实时任务被换出内存，当再次调度其运行时，必须首先经过一个时间不确定的换入过程。这将极大的影响系统的响应时间。(3)进程调度。L i n u x 作为一个分时系统，其调度算法的目标是提供一种公平的调度机制，平衡系统响应时间和吞吐量，保证系统中运行的所有进程都能获得一段运行时间。因此，L i n u x

11、采用多级反馈轮转调度算法，系统中每个进程都拥有可变的优先级，当进程没有在规定时间片中结束，该进程将放弃C P U，其优先级将会降低，并被排到当前所在优先级进程等待队列的尾部。但分时调度通常与实时应用中要求的低延迟和高度的可预测性相矛盾1 2 1。实时操作系统必须保证目前运行的任务的优先级是可运行任务中最高的，除非出现了更高优先级的任务，该任务运行结束或主动放弃控制权，其他任务无法获得C P U。这种策略关心的是交互式程序，程序的执行完全依赖于复杂的、不可预知的系统负荷与别的进程的活动，虽然对在终端前的用户来说是有利的，这种调度方式对于实时进程而言完全没有用。(4)时间粒度。时间粒度是指操作系统

12、所能提供的最小时间间隔。时间粒度越大，进程的响应延迟越大。时间粒度越小，系统开销越大。因此，要根据进程调度的实际需要设置时间粒度。H n u x 一般提供周期为1 0 0 H z 的定时中断，因此其时间精度最高即为l O r e s，使得其时问粒度过大，加大了任务响应延迟，这远远不能满足一些对时间精度要求苛刻的实时应用【3】。(5)中断屏蔽。在系统调用中，为了保护临界区资源，L i n u x 会长时间采取中断屏蔽。如果低优先级的进程由于进入临界区而关闭了中断，那么即使有高优先级实时进程的中断发生，系统也无法响应。L i n u x 采用对l 临界区操作时屏蔽中断的这种方式，在中断处理中不允许

13、进行任务调度，从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。因此，L i n u x 对中断的屏蔽极大的影响系统对于时间确定性的保证。在实时应用中，这是一个十分严重的问题。3 三种实时L i n u x 操作系统的分析与评价(1)K U R T。K U R T 是由堪萨斯大学开发的一种实时L i n u x。K U R T 主要对H n u x 核心做了如下两点改动。一方面修改了时钟中断机制。在以x 8 6 为处理器的P C上，系统时钟可以达到的最高频率超过了I M H z，但L i n u x 通过对其编程，将时钟频率设定为1 0 0 H z，即时钟中断间隔为1 0 m s。对于实时操作系统而言，这

14、种时钟粒度太粗糙，无法满足实时应用的需求。然而，简单地提高时钟频率意味着时钟中断的相应处理过程将占用更多的处理器时间，从而使得整个系统的有效利用率急剧下降，所以这不是一个好办法。K U R T 的办法非常巧妙，其改交了时钟中断的固定频率模式，通过重新设定，使得时钟以微秒为单位，在任何需要的时候产生中断。这样，既保证了响应时间，又避免了不必要的开销。另一方面增加了新的实时调度模块。K U R T 核心可以有如下3 种调度状态：普通态。内核不提供实时支持，这时与通常的L i n u x 没有区别：实时态。内核仅仅调度实时进程，非实时进程全部被挂起；混合态。实时进程和非实时进程同时被调度。但核心不可

15、抢占的性质依然没有改变，所以，一个运行中的一般任务一旦进入核心，则很可能妨碍实时任务的及时调度，因此混合态引入了很大的风险。(2)R T L i n u x。R T L i n u x 是新墨西哥科技大学研制开发的，是一个基于L i n u x 的硬实时系统。R T L i n u x 的开发人员经过分析发现，绝大多数实时应用都可分为实时和非实时两部分。基于这种认识，R T L i n u x 的设计者便确定了如下设计思想：构造一个简单的硬实时内核，应用的实时部分作为实时进程直接运行在这个硬实时内核之上；原来的普通L i n t r x 核心这时作为一个优先级最低的任务，也为这个实时内核所调度

16、，应用的非实时部分作为非实时进程运行在L i n u x 核心之上，从而可以获得L i n u x 核心所提供的一切服务。R T L i n t t x 的关键技术是通过软件来模拟硬件的中断控制器。当L i n u x 系统要封锁C P U 的中断时，R T L i n u x 中的硬实时内核会截取到这个请求，把其记录下来，而实际上并不真正封锁硬件中断，这样就避免了由于封锁中断所造成的系统在一段时间没有响应的情况，从而提高了实时性。当有硬件中断到来时，R T L i n u x 截取该中断，并判断是否由硬实时内核中的中断例程来处理还是传递给普通的L i n u x内核进行处理。另外，普通L i

17、 n u x 系统中的最小定时精度由系统中的实时时钟的频率决定，一般L i n u x 系统将该时钟设置为每秒来1 0 0 个时钟中断，所以L i n u x 系统中一般的定时精度为1 0 m s，即时钟周期是1 0 m s，而R T L i n u x 通过将系统的实时时钟设置为单次触发状态，可以提供十几个微秒级的调度粒度。(3)R T A I。意大利的R T A I 源于R T L i n u x，在设计思想上和R T L i n u x 完全相同。不同的地方是定义了一组R T H A L(r e a l t i m eh a r d w a r ea b s t r a c t i o

18、nl a y e r)，其目的是为了解决R T L i n u x 难于在不同L i n u x 版本之间难于移植的问题。R T H A L 将R T M 需要在H n u x 中修改的部分定义成一组程序界面，R T A l 只使用这组界面与L i n u x 沟通。这样，可以把对内核源码的修改降低到可以控制的程度。其优点是可以避免R T H n u x 对内核源码改动过大的问题，减少跟踪移植到新版L i n u x 的工作量。(4)比较与评价。K U R T 没有对核心做太多的改动，以较低的代价实现了一定程度上的实时，但其仍然是一个软实时操作系统。R T L i n t t x 和R T A

19、 I 的这种双内核机制的优点是极低的7 万方数据2 01 0 年8 月电脑学习第4 期基于U M L 顶岗实习网络管理系统模块的设计陆远蓉摘要：介绍了顶岗实习网络管理系统模块的构成并运用U M L 建模技术描述了系统构成的客户需求。关键词：顶岗实习U M L网络管理中图分类号：T P 3 9 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 2 4 2 2(2 0 1 0)0 4-0 0 0 8 0 3D e s i g no fN e t w o r kM a n a g e m e n tS y s t e mi nP o s tP r a c t i c eB a s e do nU M LL

20、uY u a n r o n gA b s t r a c t：T h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o m b i n a t i o no fn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mi np o s tp r a c t i c e a n du 8 髓U M Lt Om o d e lt h es y s t e mr e q u i r e m e n to ft h ec u s t o m e r K e y w o r d：P o e tP r a e t i c eU M LN c t w o

21、r kM a n a g e m e n t中断延迟和转换时间，而且以一种非常简单的方法实现了硬实时支持，使得实时应用程序的运行时间得到保证。后两者的缺点也是非常明显的，所有实时任务都必须用内核模块的格式书写，从而导致实时应用的开发非常复杂，要求用户必须非常熟悉L i n u x 内核和设备驱动程序的互动。另外还存在一个重要隐患，由于实时任务在核心中运行，因此没有内存保护，不当的编程可能会导致内核的崩溃。同时，实时程序的调试也很困难。R T L i n u x 和R T A I 技术开创了L i n u x 的硬实时支持功能，其对硬件中断的接管方法对L i n U X 的实时化研究有重要的指导

22、意义。然而，其提供的调度机制还不能满足复杂应用场合的需要，对L i n u x 原有资源收稿日期：2 0 1 0-0 7-0 1陆远蓉广东工程职业技术学院计算机系讲师(广东，广州5 1 0 5 2 0)8主界面中主要用于区分不同的用户根据不同的用户名和密码，显示不同的功能架构。用户分为：学生、指导教师、辅导员、管理部门，对于不同用户，系统提供的功能归纳如图l 所示。2 学生模块栏目及功能表1一级栏目二级栏目功能简述学生信息按实习手册输入本人的基本信息实习企业信息首个企业信息按实习手册输入第一个实习企业的信息异动企业信息如果变动实习企业，增加实习企业信息实习过程记录实习周记在指定的时问内，每周填

23、写实习周记，然后提交给校内指导教师。实习鉴定在某个企业完成实习后填写，提交给校内指导教师在指定的时间内。完成针对整个实习实习报告过程的实习报告，然后提交给校内指导教师网络交流提交问题在B B S 中发表新话题闯题回复显示对某个问题的回复的利用也不够方便4 结束语嵌入式技术具有广泛的前景，把原有的分时系统改造成一个嵌入式的实时操作系统，把L i n u x 自身固有的优越性融入嵌入式技术，是嵌入式技术发展的一个重要方向参考文献【1】徐晓磊，董兆华，吴建峰，等L i n u x 可抢占内核的分析【J】上海：计算机工程，2 0 0 3，2 9(1 5)：1 1 5 1 1 7【2】蒋溢，李琳皓L i

24、 n u x 系统实时性探讨【J】重庆：重庆大学学报(自然科学版)，2 0 0 5，2 8(3)：6 1 6 3【3】马季兰，刘勇嵌入式“n 啦操作系统的实时性研究【J】西安：计算机技术与发展，2 0 0 8(4)：踟一8 4 万方数据嵌入式Linux操作系统的实时技术分析嵌入式Linux操作系统的实时技术分析作者：谢平，陈冕，Xie Ping，Chen Mian作者单位：娄底职业技术学院,湖南,娄底,417000刊名：电脑学习英文刊名：COMPUTER STUDY年，卷(期)：2010(4)参考文献(3条)参考文献(3条)1.马季兰;刘勇 嵌入式Linux操作系统的实时性研究 2008(04)2.蒋溢;李琳皓 Linux系统实时性探讨期刊论文-重庆:重庆大学学报(自然科学版)2005(03)3.徐晓磊;董兆华;吴建峰 Linux可抢占内核的分析期刊论文-计算机工程 2003(15)本文链接：http:/