Linux实时抢占补丁的研究与实践.doc

Linux实时抢占补丁的研究与实践兰州大学硕士学位论文姓名：吴章金申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：Nicholas Mc.Guire;周庆国20100501兰州大学硕一上学位论文摘要本文总结了过去两年作者在扩展“L i n u x实时抢占补丁”方面所 从事的研究与开发工作，包含了作者对该项目所作的贡献本文在深入分 析其实现原理之后，介绍了其在MI PS (龙芯)平台的移植与优化，并 给出了评测结果与性能分析Linux实时抢占补丁项目由I ngoMo 1 n a r于2 0 0 6 年发起，旨在整合其他团队(KURT, RED .Linux, low .1 a t e n c y )的丁作，通过修改L i n u x计其支持完全抢占以提供实 时性能它不仅提供了P O S I X的A P I ,继承了L i n u x对文件系 统、网络和图形的良好支持，源代码以GPL协议发布，可以自由获取与 修改，有良好的可移植性，目前已支持X 86、PowerPC、ARM等平台该项日还在开发中，不支持L i n u x所支持的所有平台，通过 本文的丁作，M I P S （龙：卷）将得到支持。

本文在调研该项冃研究进展与开发趋势后，基于其最新源码对其实现 原理进行了深入学习，分析了其低延迟/自愿抢1叶技术、抢技术、 中断线程化、高精度时钟、实时调度策略、临界区抢占、优先级继承等实 时改造技术以及F trace. P e r f等实时调试与优化技术，从而更 深入地理解了实时操作系统的原理与特点本文所采用的目标平台是龙芯处理器，它由中国设计，自第一代于2 0 0 2年面市以米，己经发展到了第三代市面上J -泛采用的是第二 代的龙芯2 F,该处理器采用R I S C架构，基本兼容M IPS,达到中 等奔四的性能，已应用于桌面、上网本、小型服务器等领域虽然其功耗 低，但是在工业自动化、数字控制、汽车电子等领域的应用还有待拓展, 而这些领域都需要实时操作系统的支持本文成功地移植了L i n u x实时抢占李t , —J 到龙芯处理器平 台，不仅充分验证了 L i n u x实时抢占补丁的高度可移植性，而且为龙: 签平台提供了 一款安全、可靠、高效的实时操作系统，潜在地拓展了龙 芯在上述实时领域，甚至是征国防、航窄航天等领域的应用该工作得到了江苏龙芯梦兰科技股份有限公司的支持，相应的研究成 果己经被该项FI官方接收：git： H g i t . kernel . org/pub/scm/Ii nux/kernel/gi t/ t ip/ 1 inux — 2 . 6 — t ip. g i t r t / 2 . 6. 3 3最新的研发进展以G P L协议发布于以下两个站点:1. http： / / d s 1 a b ・ Izu ・ e d u ・ c n / d s lab w i k i / . ndeX . p h p / R e a 1_Time 一P r e e m p t — Patch ( R TPREEMPT). —forMIPS2. http： //dev . lemote ・ com/code/r t 4 1 s关键字：Linux,实时抢占，Ft race,实时操作系统， MIPS,龙芯兰州人学硕士学位论文ABSTRACTssummarizyearoversributionofnalysisofthetechnoplesbehindP r e e m p t—RT?notab 1 y i nthecontextofMIPS. F uthesiscoversthest ingtotheLoongs oncludeswi aperformanr e e m p t — R T e f f o r t ,mainl inebyIngoMolnarin2006. hasherotheincorporagroupsLinuate(KURT, REDLinux, 1 o w——1gthewayand i nmanywayi o n e f forttobringreai n e L i n u x • W iththecur—RTpatch,maineringtheRTOSdprovideu 1 I P 0 S I X A P I . Pe e m p t —R T i s a f u 1theturedLinuxexto f GNU / L inetworketc.s soucecodP L，pentomodionandport6 , Powe r P C , ARM, etc. P r i 1 Iunde rdeve 1 opment,tillrgeintomainl i n e w i 1 I skesometime. assuchi tcurrentlydoesnotyetsupportalIplatformsthatLitedt -RT.seaessanddevend,studiedthefPreemptoRTandanaere1 o w——1 atch/Voluna d i n g , h i g h r eb——s yt e m,secraceroughaweandeaturesof real t imeoperat i n g s y s t emingeneralandthespec i f i c i m p 1 e m eredn i n m a i n 1 ineLinuxmoargetCPUforthdevchina.revtheandongsontoo r e C P U s • ThereyiStheLoongon 一 2F. a M I P Scompa t ichitcomparatiothePent ioney I o w e r p o w e r ——conthoughowerandthuspoteasappl icat ionindustrialareas, automation, digi talcontrolwel Iasau t o m o t i v e e 1 e c t r o n i兰州人学硕士学位论文exploitationintearthesupportofareerae m. Thema i ngoempt—RTtotform. T hi snotonlyprovedthatPret -R T pc h i shighlyportablebuttheLoonggsMIPSsusopotentandedthereliableandeffi imeoperat ingsystemfor o n 2 F C P U • Thi snotonlybrinc k t o P r e e m p t — R T b urocesscallsonsuchace.portbyLemoteamebeenaccep t edbythema i n t a i n e r oPreempt—RT：git：/git. kernel.rg/pub/scm/1n e 1 / g ： i t / t/ 1 i n u x — 2 . 6 — t/ 2 . 6 . 3 3 T h e r e p u b 1 i she rmsofGPLfop : / / d s 1 a b . I z p : //dev. 1 e m o t e . c o m / c o dt Patn d e x . p h p / R e a(R T PREEMPT)1 Time —Prefor MIPSKevwo rd s： Linux, Preempt—RT, F t r ac e , RealTimeOpeartingSystem, MIPS,Loongson兰州大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。

学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确著名出处除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人承担论文作者签名：逸聋璧日期：2里坦盔墨旦三！里兰州大学硕一上学位论文关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时, 第一署名单位仍然为兰州大学保密论文的解密后应遵守此规定论文作者签名：邀导师签名：幽日 期：幽兰州人学硕上学位论文第1章绪论1・1研究动机实时操作系统发展非常迅速，特别是随着嵌入式计算机的出现，以及 英在工业自动化、数字控制、汽车电子等领域的广泛应用，促进了实时操 作系统的发展。

而包括P o S 1 X 1 0 0 3・lb、Rea 1 —T i m e Speci ficat ionfo^Java^ OSEK (automo t i veRTOSs tanda rd)> A d a 8 3 > A d a 9 5 在内的 各种实时标准则加速了这一发展最近几年，随着低延迟补丁、抢占补丁、0 ( 1 )调度器、优先级继 承M u t e X、高精度时钟系统、可抢占R c U进入L i n u x , L i n u x的实时性能不断提升，由于其不仅功能丰富，集成POS 1 X编程环 境，支持多种硬件平台，支持模块化，可剪裁与定制，有强大的社区支持， 而且遵循GPL协议，因此相对于其他价格昂贵、源代码受到专利保护的 商业实时操作操作系统而言，L i n u x赢得了很多公司和科研院所但是L i n u x本身还无法满足硬实时操作系统的所有需求，所以才 出现了各种各样的实时L i n u x扩展当前比较流行的实时L i n u x 扩展莫过于 R TAI [4]> Xe noma i [S]、Xt r a t u M [ 6 ] 和实时抢占补丁【7】资料【1】【2】【3】对上述四种实时操作系统 进行了测试，其结果表明，四者都具备了一定的硬实时能力：• R T A I虽然在实时响应时间方而R TA I比实时抢占补丁有一定优势，但是 RTA I在高负载下出现死机，这对一个严格的硬实吋操作系统而言是不 允许的，另外RT A I还不支持POS I Xo RT A I有较大的开发社区 和较多用户，但。