嵌入式操作系统软硬件划分及设计

摘要

计算机硬件与软件日益紧密结合已成为明显趋势，软件硬化、硬件软化成为两种并行的发展方向。随着嵌入式系统的发展，传统嵌入式实时操作系统的性能已经无法满足高端应用需求。同时由于SOC技术的发展，软件硬化获得了广泛的发展空间，当前有很多专用软件完成了硬化。因此，将嵌入式实时操纵系统的部分功能模块硬化，研究如何对嵌入式实时操作系统进行软硬件划分，设计并实现一个软硬件混合操作系统是一个新的、非常具有影响的课题。
　　 本文首先对参考操作系统μC/OS-Ⅱ进行了简单的分析介绍，在此基础上使用VHDL语言对μC/OS-Ⅱ的部分功能模块进行描述，并完成各个部分的仿真，获得硬件执行的时间、空间以及功耗数据;将μC/OS-Ⅱ在XPS下进行编译，移植到PowerPC405上执行，获得软件运行的时间、空间以及功耗数据;将硬件仿真获得的数据与软件执行获得的数据进行比较，得到硬件实现的程序比软件具有更高的执行效率，但常常占用更多的硬件资源;将获得的软硬件数据应用到软硬件划分中。
　　 选择遗传算法NSGA-Ⅱ作为软硬件划分算法，该算法针对遗传算法存在的问题经过长期的改进，已经克服了早熟以及运行时间较长等问题;该算法采用快速非支配排序算法，降低算法的计算复杂度，提高算法在大规模种群上的运行效率;对当前获得种群，使用拥挤度算子进行选择，从而保持种群多样性;在产生种群过程中引入精英策略，使得种群水平迅速提高。同样，由于以上措施的引入，NSGA-Ⅱ算法比其他的算法更容易产生重复个体，导致大量的Pareto解丢失;文章针对这个缺陷进行了改进;通过验证，证明改进后的算法比原算法具有更好的分布性，算法能够更全面的搜索解空间;并使用改进后的算法完成对任务管理部分进行了软硬件划分。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的意义和背景

1．1．1 软硬件混合操作系统研究背景

1．1．2 软硬件混合操作系统研究意义

1．2 嵌入式操作系统硬化的相关研究

1．3 软硬件划分的相关研究

1．3．1 软硬件划分的重要性

1．3．2 遗传算法的相关研究

1．4 课题主要研究内容

第2章 系统分析与设计

2．1 参考操作系统

2．1．1 μC/OS-Ⅱ操作系统

2．1．2 μC/OS-Ⅱ操作系统主要功能模块

2．2 工具的选择以及平台的搭建

2．3 系统总体结构设计

2．4 软硬件混合操作系统

2．4．1 软件设计与硬件设计

2．4．2 软硬件混合操作系统的引入

2．4．3 PowerPC连接方式

2．5 本章小结

第3章 嵌入式操作系统部分功能的硬件实现与仿真

3．1 任务管理硬件实现

3．1．1 任务管理基本操作

3．1．2 就绪表

3．1．3 任务调度

3．1．4 仿真及实验结果

3．2 信号量管理硬件实现

3．2．1 事件控制块映射

3．2．2 信号量P和V操作的硬件设计

3．2．3 仿真及实验结果

3．3 本章小结

第4章 软硬件划分算法

4．1 系统模型

4．2 遗传算法

4．2．1 基本概念

4．2．2 遗传算法的流程

4．2．3 遗传算法特点

4．3 NSGA-Ⅱ算法

4．3．1 基本概念

4．3．2 算法基本流程

4．3．3 NSGA-Ⅱ算法特点

4．4 NSGA-Ⅱ算法的改进

4．4．1 重复个体产生原因

4．4．2 改进后的NSGA-Ⅱ算法

4．4．3 算法寻优结果比较

4．5 本章小结

第5章 系统软硬件划分结果与分析

5．1 软件执行的数据采集

5．1．1 时间空间数据

5．1．2 软件功耗

5．2 硬件执行的数据采集

5．3 数据采集结果

5．4 程序中编码方式

5．5 划分结果与分析

5．5．1 解在三维空间的描绘

5．5．2 解在二维空间的描绘

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢