面向SPARC多核的嵌入式操作系统实时调度方法的研究

本文档是哈尔滨工业大学陈正林在2022年6月完成的硕士学位论文，题为“面向SPARC多核的嵌入式操作系统实时调度方法的研究”。论文在来逢昌副教授指导下，旨在提高航天器的实时性与稳定性，减少软件系统延时对航天器的影响，重点研究多核SPARC架构下的实时调度方法。SPARC架构作为国际上航天设备通用的处理器体系架构，因其精简、高效的程序处理能力而受到关注，尤其是多核SPARC架构因其易于扩充、性能高效、低功耗等特点。 论文首先深入研究了多核操作系统实时任务调度，介绍了实时任务的主要参数及约束条件，并分析了多核操作系统下几种实时调度算法的可调度性，设计了负载均衡流程。接着，论文对FreeRTOS实时内核进行了移植，基于多核SPARC处理器特性，修改了嵌入式实时操作系统内核配置，并搭建了编译环境，完成了内核初始化设计。论文还制定了硬件描述层的修改方案，包括节拍定时器设置、调度器启动和上下文切换等，并通过互斥锁结构实现了多核共享资源互斥与临界区的保护。采用优先级继承协议确保关键任务的正常运行，保证了实时性，并采用处理器亲和机制实现了多核下的负载均衡。 最后，论文在模拟器以及搭载了多核SPARC处理器的FPGA上对移植后的FreeRTOS进行功能和性能上的测试，完成了多核SPARC处理器的操作系统多核启动与调度，并对多任务调度、实时抢占、信号同步以及优先级翻转功能进行测试，测试结果正确。对调度延迟进行测试，测得在系统频率50MHz下平均延迟为75μs，符合实时操作系统要求。论文的研究成果不仅扩大了FreeRTOS的适用架构范围，而且对嵌入式操作系统实时调度的提升具有重要的工程应用意义和研究价值。