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基于ARM的嵌入式强实时内核设计

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  • 日期: 2014-03-05
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标签: 基于ARM的嵌入式强实时内核设计

随着国内工业化、数字化的迅速发展,嵌入式开发在IT行业中的重要性越来越显著。嵌入式开发领域对产品的功能性、稳定性、实时性等方面的要求也越来越高。 采用嵌入式实时操作系统作为开发平台,以高性能的嵌入式处理器为工业控制等领域的主控制器可以有效地提高系统的可靠性、实时性、和软件编程的灵活性。在嵌入式处理器方面,ARM构架已经在高性能、低功耗、低成本的嵌入式领域里占领先地位。而在嵌入式操作系统方面,适合国内发展方向的解决方案以及系统基础结构方面并不理想。首先,国外成熟的嵌入式实时操作系统大都成本高、结构复杂,不适合强实时应用;其次,因大部分实时操作系统不公开源码,使开发的产品存在安全隐患。而类似μC/OS-II的小型强实时嵌入式操作系统内核虽然具有低成本、易控制、小规模、高性能等特性,但这类系统的基础较为薄弱,面临产品化和商业化还有一定的距离。 本文针对这种情况,结合现有的操作系统内核理论及嵌入式强实时系统的特殊需求,特别是对μC/OS-Ⅱ的研究分析基础上,面向强实时应用,设计、构造了一种适合在32位ARM处理器环境下使用的内核。这样做的目的是为了提供一个基础牢固、值得信赖的基本平台。 本文研究工作主要集中在以下几个方面: 针对嵌入式环境中高效、简洁、易扩展、易剪裁的要求,对内核体系结构框架进行了设计。内核整体上采用分层结构,在各层中采用功能相对独立的模块:在最底层借鉴微核的原理,只提供最基本的功能模块。 针对系统快速和稳定的实时响应能力需求,为IRQ中断建立了统一的中断入口,采用合理的半嵌套工作方式;保留FIQ为不可屏蔽中断,在快速反应场合使用;引入中断分段处理机制解决中断和任务的ITC机制共享,需要硬保护机制相互协调所引起的硬保护机制被隐性地泛滥使用问题。 针对应用提出的系统行为的可预测性需求,在调度算法方面采用基于优先级位图的抢占阈值调度算法,提高了处理器的利用率和任务集合的可调度性,减少了内核存储开销;在共享资源访问控制方面,以优先级天花板协议为依据,使用互斥事件解决优先级反转和死锁问题的发生。 为了保障系统的强实时性能,本文还对内核的时钟管理、内存管理等方面进行了设计。最后,通过实时性能测试,结果表明该实时内核有很好的强实时特性。

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