实时嵌入式操作系统的设计

摘 要
随着微处理器的发展，种类繁多、价格低廉、结构小巧的CPU和外设连接，提供了稳定、可靠的硬件架构。现在嵌入式系统发展的瓶颈在软件方面，尤其是操作系统的“嵌入式”化。由于Linux源码的开放性、简练、多任务、易移植、成本低等特性，成为诸多研究与应用选择的对象。随着2.6内核的发布，Linux向现有主流的实时操作系统提出了更大的挑战，势必能成为更优秀的嵌入式操作系统。
本人一直以来都对Linux 操作系统很感兴趣，并结合本专业，对Linux应用于嵌入式实时环境进行了一定的研究。深入探讨了面向嵌入式实时环境的 Linux系统的体系结构。论文首先概述了嵌入式系统及实时系统的发展情况，然后介绍Linux在实时领域的相关研究，其次讲述了嵌入式Linux系统的构造，最后描述了系统测试的策略，并就下一步可继续进行的工作进行了展望。 内容来自think58

关键词： Linux；进程；实时系统；嵌入式系统。
Linux作为实时系统的分析
Linux可以说是世界上变化最快的操作系统，几乎每个月都会有新的内核升级版本问世，这也是Linux进步如此神速的主要原因。根据功能不同，Linux内核的模块可基本划分为进程管理、内存管理、网络管理、文件系统与进程通信几部分。实时可靠性是嵌入式应用较为普遍的要求,尽管Linux 已发展到2.6版本，但它仍不是一个真正的实时操作系统，但其改进的特性能够满足响应需求。Linux 2.6 已经在内核主体中加入了提高中断性能和调度响应时间的改进,其中有三个最显著的改进:采用可抢占内核、更加有效的调度算法以及同步性的提高[5]。
2.1 Linux内核体系结构
Linux内核主要由五个子系统组成：进程调度，内存管理，虚拟文件系统，网络接口，进程间通信。[6]
1进程调度（SCHED）:控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。
2内存管理（MM）允许多个进程安全的共享主内存区域。Linux 的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可以超过实际内存的大小，只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑上分为无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口[10]。

本文来自think58

[资料来源：http://THINK58.com]

3虚拟文件系统（Virtual File System,VFS）隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。
4网络接口（NET）提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
1进程描述符
在内核中，进程描述符是一个名为task_struct的结构体，用于保存进程的属性和其他信息，我们可以在这个结构体中找到与进程有关的所有内核信息。在其生命周期内，进程要与内核的方方面面，“诸如内存管理和调度”等打交道，因此，除了UNIX进程的标准属性外，进程描述符也保存了在上述交互过程中的相关信息。内核用循环双向链表task_list存放所有进程描述符，同时借助全局变量current保存当前运行进程的task_struct。
数组task包含指向系统中所有task_struct结构的指针。系统中的最大进程数目受task数组大小的限制，默认值一般为512。创建新进程时，Linux将从系统内存中分配一个task_struct结构，并将其加入task数组。操作系统初始化后，建立init进程，它创建第一个task_struct数据结构INIT_TASK。当前运行进程的结构用current指针来表示。

[资料来源：THINK58.com]

在进程生命周期中，进程描述符必须保存的信息的类型有[8]：
 进程的属性
 进程间的关系
 进程的内存空间
 文件管理
 信号量管理
 进程的可信度
 资源限制
 与调度相关的域
下面我们来了解一些Task_struct结构中与嵌入式开发相关的域。
1. 进程状态（volatile long state）
进程状态定义有如下几种：
//正在运行的进程或在Running队列中准备运行的进程
#define TASK_RUNNING  0
//处于等待队列中的进程，等资源有效时唤醒进入就绪队列run-queue
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1
//处于等待队列中的进程，等资源有效时唤醒，但不可被其他进程中断
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
//进程暂停，通过其他进程才能唤醒
#define TASK_STOPPED  4
//进程已经被杀死，但父进程还没有调用sys_wait()
#define TASK_ZOMBIE  8
//僵死状态的进程，进程已经结束运行且释放大部分资源，但未释放其进程块
#define TASK_DEAD  16
进程状态转换如图2-2所示，用户进程由do_fork()函数创建，它也是fork系统调用的执行者。do_fork()创建一个新的进程，继承父进程现有资源，初始化进程时钟、信号、时间等数据。完成子进程初始化后，父进程将它挂到就绪队列run-queue，返回子进程的pid。 [资料来源：www.THINK58.com]
think58好，好think58 [资料来源：http://THINK58.com]