微内核实时性设计及实现

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1、万方数据信息科接?中国科技信息2006年第22期CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONNov．2006黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11511318)徽内禳实时性设计及实现韩玉敏黑龙江工程学院电子工程系150050摘要关于实时性，本文在详述了实时性设计的基本问题及具体的实时性性能指标，具体涉及调度算法、确定性等等后，定义出实时性设计的目标并分析MfN}×的内核，对它的内核中不满足实时性设计目标的部分进行修改使其可达到某种程度的实时性要求。关键谣实时性；调度；进程；MINIX

2、1引言实时系统，是指具有实时性特性的计算机系统。是从计算机的应用由科学计算转向控制领域的必然结果。其常见于军事、航天及工业控制等专业领域。实时性特性是指系统能够在限定的时间内完成任务并对外部的异步事件做出及时响应的特性，限定时间的范围根据应用的实时性要求不同，可以从微秒级到分钟级。实时系统根据任务的复杂度、规模及执行时的特点，使用不同方法编制软件。对小型的实时系统如一些单片机(MCU)，本身的执行特点就是顺序执行。在满足逻辑条件的情况下接受外部事件并响应，它是一个过程控制的概念，所以只需使用统一的一个程序完成

3、功能。软件设计中较关键考虑的技术是如何把系统任务在实时性要求上的不同作为依据，而把系统任务划分为不同的实时级别(实时级别的多少取决于MCU中定时器／计数器的多少以及每个定时器／计数器所能达到的计时精度)为每个任务分配变量；安排在中断处理程序中的算法(考虑到系统中任务的实时性要求的不同，有些任务是硬实时，而有些是软实时的要求)。对于大型(任务有并行性、任务也较多)的实时系统来说，通常是提供一个实时多任务的微内核，通过微内核来管理多任务的通信、调度等，实现了一个多任务的并发的虚拟机模型，应用程序在这个虚拟机的模型

4、上进行工作。这是本文讨论的焦点。按照系统对时间限制的满足程度将实时系统分为硬实时(hardrealtime)系统和软实时(softrealtime)系统。在硬实时系统中的调度必须满足时间限制的要求，否则对系统会带来毁灭性的后果。软实时系统虽然每个任务被调度执行也有时间限制，但是如果超过了时间限制，对系统不会带来毁灭性的影响。2实时性性能指标2．1中断服务响应时间(INTERRUPTSERVICERESPONSE)从中断发生到执行中断处理进程的第一条指令的时间。2．2任务响应时间(TASKRESPONSETIM

5、E)在实时系统中，各个实时进程(即任务)都在等待某些外部事件来激活它114们，当一个中断发生时，当前运行的进程必须迅速终止，使响应的实时进程进入。任务响应时间定义为从系统收到一个中断请求起，直到实时系统开始执行该进程为止的时间。2．3任务切换时间(TASKRESCHEDULETIME)任务切换时间是指从一个任务切换到另一个任务的时间。3关于调度算法3．1根据任务的优先级在运行中是否动态变化区分静态调度算法：任务的优先级在程序编译的时候确定，在系统中加载后在整个任务的运行期内任务的优先级不再变化，这种算法实施较

6、为容易。大多数嵌入式系统均采用这种算法。在本文中就采用的这种算法，见以下详述。动态调度算法：对应于静态算法，任务的优先级(特别是应用程序的优先级)在运行时动态变化。常见于在具有文件系统、存储管理等功能能动态加载程序的情况中。3．2根据任务在运行时能否被剥夺区分可剥夺调度：一个任务获得了CPU后，在更高的优先级的任务到达就绪状态后能剥夺该任务的CPU的使用权。显然在实时系统中需要这样的调度方式。本文的调度是可剥夺的调度方式。不可剥夺调度：在低优先级的任务获得了CPU的使用权后，一直到它万方数据主动交出使用权之间

7、，就算有更高的优先级任务进入也不能抢占CPU的使用权。4针对目标嵌入式系统基于MINIX源代码的实时性设计本文讨论的问题遵循机制与策略分离的设计原则对MINIX的源代码进行修改以提供满足目标嵌入式系统实时性调度的要求。基于MINIX源代码的实时性设计，就是修改MINIX源代码中相关的数据结构和算法使之满足静态、可剥夺式调度及其它实时性要求，并且达到易配置的设计目标。针对目标嵌入式系统的特点，提出以下的设计目标：根据系统分析阶段的结果易生成多级优先级队列，可剥夺方式调度，同级队列分时轮转，易传递任务的优先级。5

8、基于MINIX源代码的实时性设计针对目标嵌入式系统的特点以及实时性的要求，改变了原PC系统上MINIX的调度模型。目标有两个：一是破除原MINIX系统中任务的优先级仅仅依赖于该任务在整个软件部分的层次；二是实现在目标嵌入式系统中的应用程序层的应用程序多级优先级层次(见图1)。本文将整个系统的任务分成两大模块即应用程序层模块和系统任务层模块。涉及对MINIX源代码中数据结构和算法的相应修改。首先是对进