基于Linux的实时控制系统及实时调度算法的研究

摘要

该文通过分析远程机器人控制系统的特点,即一个外部中断驱动的周期性的迭代过程,着重研究基于Linux的实时控制系统的开发与实现.该系统针对传统机器人控制系统价格高、实时性差的问题,提出了一套高效低成本的方法,在操作系统级改善了工业机器人控制的实时性,并且为推动工业机器人产业化的进程提供了帮助.文中首先分析了机器人控制器的软、硬件系结构以及要求操作系统在实时性能上的支持,然后阐述了Linux在实时性支持上的现状和弱点,分析了当前流行的一些实时操作系统如QNX、VxWorks的特点和基本原理,以及当前基于Linux的内核实时支持的相关主流技术,综合比较了各种解决方案的优缺点,在此基础上,抽象出典型的以外部中断驱动的实时应用模型.除了对系统的改造外,我们还在理论上做了进一步的研究.在实时系统中,实时调度算法也是影响实时性能的关键因素.以往对实时调度算法的研究着重于硬实时性的满足,该文基于具体应用的特殊性以及当前对实时调度研究的发展趋势,对共存于同一系统中的周期性实时任务和非周期性任务的混合调度问题做进一步的探讨,提出一种实时任务的层次调度算法,在一级调度上用EDF保证实时任务的底限不丢失,在二级调度上采用了动态规划和贪婪相结合的策略调度实时任务的可选部分,保证了带宽的利用,克服了传统混合调度算法处理器利用率受限制、系统开销较大和非周期部分响应时间长的问题.该文的最后指出进一步研究的方向,如实时调度算法的具体实现、软中断模拟技术的应用以及系统向嵌入式方向发展应解决的问题.

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1课题来源和研究背景

1.2国内外研究情况

1.2.1 Real-time robot control environment

1.2.2 QMotor 2.0-一个基于PC机的实时多任务图形控制环境

1.2.3国内研究情况

1.3我们的研究方向

第二章机器人控制器的体系结构

2.1机器人控制器的硬件体系结构

2.2机器人控制器的软件体系结构

2.3机器人控制器的实时性要求

第三章基于Linux的实时操作系统的现状

3.1 Linux的体系结构

3.2 Linux在实时性上的弱点

3.3几种实时操作系统和Linux内核实时支持的主流技术

3.3.1几种流行的实时操作系统

3.3.2当前Linux内核实时支持的相关主流技术

第四章Linux内核实时性研究及改造

4.1实时应用模型

4.2实时性能分析

4.3 Linux内核不可抢占性的分析和改进

4.3.1 Linux内核的不可抢占性

4.3.2 Linux的中断和系统调用机制

4.3.3 Linux的进程管理

4.3.4改造Linux内核的不可抢占性

4.4 Linux内核屏蔽中断机制的分析和硬件中断的处理

4.4.1 8259A中断控制器

4.4.2修改中断指令

4.4.3修改对中断控制器8259A的控制

4.4.4其他的修改

4.5虚拟内存管理

4.6修改工作的模块化

第五章系统性能测试

5.1系统测试环境和方法

5.1.1测试环境

5.1.2测试程序的设计

5.2测试结果及分析

第六章层次调度算法

6.1传统混合调度算法

6.2层次调度的体系结构

6.3算法描述与分析

6.3.1实时任务模型

6.3.2层次调度算法

6.3.3算法分析

6.3.4算法结论

第七章总结与展望

参考文献

致谢

作者攻读学位期间公开发表的学术论文、专著、科技成果