硬件实时操作系统内核可伸缩性与性能优化技术研究

摘要

随着嵌入式系统网络化、智能化应用的不断扩展，传统软件实时操作系统作为支撑软件已无法满足需求。基于硬件化、软硬件协同等手段，在FPGA、SOC等器件上实现硬件实时操作系统已成为研究热点之一。然而现有的硬件实时操作系统仍存在功能欠完备、可配置/可裁剪能力不足、系统性能尚待优化等局限性，在不同程度上限制了硬件实时操作系统的发展及应用。
　　本文采用软硬件协同设计手段，从优化硬件实时操作系统内核设计技术入手，开展总体架构、功能及性能优化方法研究。完成的主要研究工作如下:
　　1)提出可伸缩性硬件内核设计方案，设计了基于硬件互连总线、命令通信协议和标准功能列表的构件化内核结构，在构件中使用构件命令状态机和可配置数据存储器，可实现结构、功能、资源三个维度的可伸缩性。
　　2)提出软硬件通信瓶颈优化方法，通过添加系统调用缓冲区和加速通信流程来优化系统调用和任务中断处理的软硬件通信，从而缓解软硬件通信延迟问题，更好地发挥硬件内核的优势。
　　3)基于上述技术，研制了一个硬件实时操作系统内核原型HardOS，进行了功能对比、可伸缩性和性能测试，结果验证了本文提出技术的有效性。

目录

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 实时操作系统硬件化技术研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 研究现状总结

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本文的组织结构

第2章 可伸缩性硬件内核设计

2．1 现有硬件内核结构分析

2．1．1 RTU硬件内核结构

2．1．2 HThreads硬件内核结构

2．1．3 HartOS硬件内核结构

2．1．4 硬件内核结构小结

2．2 硬件内核构件化

2．2．1 构件概念

2．2．2 硬件内核构件化的设计思路与优势

2．2．3 硬件内核构件化的实现策略

2．3 可伸缩性硬件内核结构实现方案

2．3．1 内核体系架构

2．3．2 内核构件间硬件互连总线

2．3．3 内核构件间命令协议设计

2．3．4 内核构件接口设计

2．3．5 内核构件内部设计

2．4 本章小结

第3章 软硬件通信瓶颈优化

3．1 现有软硬件通信方式

3．1．1 通用总线通信方式

3．1．2 处理器扩展通信方式

3．1．3 特殊总线通信方式

3．2 软硬件通信瓶颈分析

3．2．1 现有通信方式的瓶颈分析

3．2．2 系统通信性能的优化考虑

3．3 系统调用命令通信机制优化

3．3．1 软硬件通信架构

3．3．2 处理器总线接口模块

3．3．3 处理器命令请求构件

3．3．4 系统调用软件封装

3．3．5 针对特殊总线通信方式的修正方法

3．4 任务切换通信机制优化

3．5 本章小结

第4章 硬件实时操作系统内核HardOS实现

4．1 硬件实时操作系统内核HardOS

4．1．1 HardOS架构

4．1．2 HardOS实现情况

4．1．3 HardOS内核构件实现

4．2 HardBench自动化测试框架

4．2．1 HardBench框架结构

4．2．2 HardBench实现情况

4．3 本章小结

第5章 系统实验结果与分析

5．1 实验平台与硬件系统结构

5．1．1 HardOS实验平台

5．1．2 HardOS实验系统PSOC硬件结构

5．2 实时操作系统内核功能对比实验

5．2．1 几种实时操作系统内核介绍

5．2．2 实时操作系统内核功能对比

5．3 可伸缩性测试结果与分析

5．3．1 构件选择配置实验

5．3．2 构件内命令配置实验

5．3．3 构件内资源数配置实验

5．4 性能测试结果与分析

5．4．1 系统调用时间细粒度测试

5．4．2 系统调用时间对比测试

5．4．3 任务切换时间对比测试

5．4．4 中断响应时间对比测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢