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1、第4 4 卷第3 期2 0 0 8 年6 月兰州大学学报(自然科学版)J o u r n a lo fL a n z h o uU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e s)V b l 4 4N o 3J u n 2 0 0 8文章编号：0 4 5 5-2 0 5 9(2 0 0 8)0 3-0 0 9 7-0 3M I N I X 嵌入式操作系统进程调度的移植王怀武1，田丽娜2(1 兰州城市学院现代传媒系，甘肃兰州7 3 0 0 7 0；2 兰州城市学院数学系，甘肃兰州7 3 0 0 7 0)摘要：M I N I X 操作系统作为与U N
2、I X 操作系统完全兼容但内部结构有完全不同的操作系统，采用微内核结构分析了M I N I X3 操作系统作为嵌入式操作系统在移植中的一个关键问题调度程序的移植，并说明了移植方法关键词：嵌入式操作系统；M I N I X 操作系统；进程调度中图分类号：T P 3 1 6文献标识码：AP o r to fp r o c e s ss c h e d u l i n gf o rM I N I Xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m慨4 G 肌a i 一硼牡l，孔M L i n a 2(1 D e p a r t m e n to fM o d e
3、 r nM e d i a，L a n z h o uC i t yU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0，C h i n a；2 D e p a r t m e n to fM a t h e m a t i c s，L a n z h o uC i t yU n i v e r s i t y，L a n z h o u7 3 0 0 7 0，C h i n a)A b s t r a c t：M I N I Xo p e r a t i n gs y s t e m(O S)i sc o m p a t i b l ew i t hU N
4、 I Xf r o mt h eu s e r sp o i n to fv i e w，b u tc o m p l e t e l yd i f f e r e n to nt h ei n s i d e，f o ri ta d o p t sm i c r o k e r n e ls t r u c t u r e T h en e wv e r s i o n3，s t r u c t e di nam o r em o d u l a rw a ya n dm o r er e l i a b l e，c o u l db eu s e dw i d e l yi nt h ee
5、 m b e d d e ds y s t e m T h et r a n s p l a n to ft h es c h e d u l i n gp r o g r a ma sa ni m p o r t a n ti s s u ew a sa n a l y s e da n dt h ep o r t i n gm e t h o dd e m o n s t r a t e d K e yw o r d s：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m；M I N I Xo p e r a t i n gs y s t e m；p r
6、 o c e s ss c h e d u l i n g随着多媒体技术和通信技术相结合的信息时代的快速发展以及互联网的广泛应用，嵌入式操作系统和嵌入式技术已经和人们的生活紧密相连，涉及的领域也越来越多，深入到了社会生产、生活的各个层面：家用电器、通信设备、仪器仪表、导航控制、商业金融、办公设备、交通运输、建筑、医疗等 1 一引嵌入式系统已经有近3 0 年的发展历史，其发展过程是硬件和软件交替进行的螺旋式发展许多早期的嵌入式系统开发者认为嵌入式系统不需要操作系统但现在除了最简单的系统外，越来越多的嵌入式系统引入了操作系统比如中断驱动系统在引入嵌入式操作系统后，其可靠性、安全性、可扩展性、功能性
7、、灵活性、可管理性都有了很大的提高在很多嵌入式操作系统中封装了越来越多的功能除了任务的切换、进程通信、同步、互斥、中断管理、时钟管理等，还可进一步封装内存管理、网络通信协议、文件管理等功能，这些功能可根据需要进行剪裁 3-5 1 按照经营模式划分，目前市场上主流的嵌人式操作系统可分为商用和开源两类；按实时性划分，嵌入式操作系统可分为实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式操作系统【l】目前较常用的典型嵌入式操作系统有V x W o r k s，W i n d o w sC E，嵌入式L i n u x，c o s 1 I 等，它们各有其优缺点和特性如L i n u x 系统功能强大，但其单一内核的架构
8、对内核剪裁多有不便；W i n d o w sC E 系列嵌入式操作系统容易上手f 微软官方宣称W i n d o w sE m b e d d e dC E6 0 完全公布内核代码)，但是受制于微软苛刻的授权协议，对进一步研究和改造操作系统也不适合因此，本文选择授权比较宽松的M I N I X3 操作系统为原型M I N I X 操作系统很小、高效、快速，而且是由收稿日期：2 0 0 8-0 2-2 8 作者简介：I：怀武(1 9 6 2-)，男，甘肃会宁人，副教授，研究方向为现代传媒技术，e-m a i l：y a n g t t s i n a C O I T I 万方数据9 8兰州大学
9、学报(自然科学版)第4 4 卷模块化的组件逐步组成的，可以保持代码的独立性、整个系统的可扩展性和稳定性，使得内核更加简洁、高效新版本M I N I X 既可用于P C 机，又可用于嵌入式系统尤其是对于嵌入式应用来说。简洁的模块化设计和可靠性是非常关键的【6-r 1 可以说，从M I N I X3 推出以来，M I N I X 就开辟出了一条向嵌入式系统领域进军的新道路M I N I X3 操作系统向嵌入式操作系统领域发展的优势有：系统采用微内核结构，内核小，内核可执行代码部分只有不到4 0 0 0 行；占用系统资源少，可以在嵌入式系统有限的硬件资源上发挥出性能；系统采用高度的模块化设计，具有良
10、好的伸缩性、扩展性、开放性，符合嵌入式系统可剪裁、开放性的要求M I N I X3 系统的结构从根本上决定了它必定是一个安全、稳定、持久的操作系统，这也是嵌入式系统所要求的M I N I X3 为设备驱动程序提供了一个与系统其他部分一样的接口：将请求的消息发送给驱动程序，然后驱动程序根据消息中的操作码和参数执行相应的操作M I N I X 操作系统已经开始准备向P o w e r P C 移植I S _ 9】，但作为嵌入式操作系统，至今还没有成功的先例本文探讨M I N I X 作为目标为A R M 的嵌入式操作系统A R M(a d v a n c e dR I S Cm a c h i n
11、 e s)是一种用于微控制器微处理器领域的R I S C 处理器系统结构，综观A R M 的发展历史，不能不说是一个奇迹如果说，“嵌入式”是2 0 0 7 年电子工程师谈论最多的词之一，那么2 0 0 8 年谈论得最多的一个词就是“A R M”“A R M”既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字A R M 体系结构是一套先进的处理器体系结构，其先进性就体现在它的处理器结构的模块化上A R MC P U 内核分为多个系列，如A R M7、A R M9、A R M9 E、A R M1 0 E、S e c u rC o r e 及A R M1 l，分
12、别针对不同需求的应用下面首先分析M I N I X3 中进程调度的原理和实现，参考A R M9 系列体系结构【a O l，说明向A R M体系结构的调度移植的方法1M I N I X3 进程调度M I N I X3 使用一种多级队列调度算法，共定义1 6 个队列进程被赋予一个与图1 所示结构相关的初始优先级在图1 中，第1 层的时钟和系统任务获得最高的优先级，第2 层的设备驱动程序获得低一些的优先级，它们的优先级不完全相同第3 层的服务器进程的优先级比驱动程序低一些，但其中一些的衔接比另一些要低用户进程启动时优先级比所有系统进程优先级都低，并且初始值相等，通过“n i c e”命令可以提高或降
13、低某个进程的优先级r d y _ h e a dr d y _ t a i l-s 匦亘乎吨巫卜_ 画因，匝匦 亘卜吨亘国f sr s 墨d i s kt t vT A S KOs y s t e m周T A S KO图1 调度器维护的1 6 个队列F i g 11 6s c h e d u l i n gq u e u e s调度器维护1 6 个可运行进程队列，但是任一时刻并不一定所有的队列都在使用图1 展示了当内核完成初始化并开始运行时，优先级队列和进程的情况r d y _ h e a d 数组中的每一项对应一个队列，这一项指向对应队列的头进程同样，r d y _ t a i l数组中的每
14、一项对应队列尾的进程每个队列内部都采用时间片轮转调度算法如果一个运行的进程用完了它的时间片。则它被转移到队列尾部并分配一个新的时间片然而当一个阻塞的进程被换行时，如果在阻塞前有没有用完的时间片，则它将被放到队首它并不会得到个新的时间片而只是得到阻塞前所剩余的时间片数组r d y _ t a i l的存在使得向队列尾部加入一个进程变得简单当一个运行的进程被阻塞或者被一个信号终止时，进程将被移出调度队列，队列中仅有可运行进程有了上面描述的队列结构以后调度算法就变得非常简单：找到最高非空优先级队列。选取队列首部的进程。进程I D L E 总是处于就绪态，并且位于最低优先级队列中如果所有的高优先级队列
15、都为空，则I D L E 进程将运行2M I N I X 进程调度部分代码分析及移植尽管不是所有的嵌入式系统都需要具有实时能力，但实时性确实是嵌入式系统最重要的特点之一所以本文在对M I N I X 的进程调度部分的修 万方数据第3 期王怀武，等：M I N I X 嵌入式操作系统进程调度的移植改中，加入了对实时任务的调度在这里根据任务的实时程度提供了3 种调度策略：1)S C H E D 一0 T H E RS C H E D O T H E R 是面向普通非实时进程的时间片轮转策略这种策略也就是M I N I X3 中原有的调度策略，针对M I N I X 3 内核任务、系统进程以及用户进
16、程采用该策略时，系统为处于T A S K 且U N N I N G 状态的每个进程分配一个时间片当时间片用完时，进程调度程序再选择下一个优先级相对较高的进程，并授予C P U 使用权2)S C H E D _ F I F OS C H E D J I F O 策略适用于对响应时间要求比较高、运行所需时间比较短的实时任务采用该策略时，各实时任务按其进入可运行队列的顺序依次获得C P U 使用权除了因等待某个事件主动放弃C P U 使用权，或者出现优先级更高的进程而剥夺其C P U 使用权之外，该进程将一直占用C P U 的运行3)S C H E D R RS C H E D 且R 策略适用于对响
17、应时间要求较高，运行时间较长的实时任务采用该策略时，各实时任务按时间片轮流使用C P U 当一个运行进程的时间片用完后，进程调度程序停止其运行并将其置于可运行队列的末尾为了实现对实时任务的调度，需要在M I N I X3原有1 6 个进程优先级的基础上再加入1 6 个实时任务的对应优先级，共计3 2 个优先级(图2)r d yh e a dr d Yr a i l31I D L E _ Q 卜叫I D L E|一I D L E _ Q3 02 01 91 81 71 6f sr s一p md i s k乜正卜_ 怔亘卜t r yT A S K0s y s t e m一阙T A S KOs 叵夏
18、至乎匿亘囝叫至巫 岖耍圃1 I 坠坠!坠里H 生型!H!型!H 坠坠墨坠：旦l0 l R TT A S KQ Hr tt a s l0 0 卜一R TT A S KO I图2A R M-M I N I X 中的进程优先级队列F i g 2P r i o r i t yq u e u e si nA R M M I N I X图2 为A R M M I N I X 中的可运行进程的优先级队列其中新加入了前0 1 5 个优先级队列用来调度实时进程，剩下的1 6 3 1 个优先级队列用来调度M I N I X 系统中的所有进程和普通用户进程有两类进程的C P U 使用权是不可抢占的，其中一种是用S
19、C H E D J I F O 策略调用的比较短的实时任务；另一种是M I N I X 操作系统的内核空间进程内核的不可抢占性也决定了这种进程调度是软实时的，而并非硬实时有了以上的描述，可以得出新的进程调度算法：当需要进程调度的时候，先看系统中有无就绪的实时任务，如果有，就挑选优先级最高的就绪实时任务如果该任务是S C H E D J I F 0 类型的，那么就一直运行直到其自行退出或自行阻塞，或者有优先级更高的实时任务剥夺其C P U 使用权若该任务是S H E D R R 类型的，那么对该任务实行时间片轮转调度，运行完分配的时间片之后被放进相应优先级队列的末端如果没有就绪的实时任务，就按照
20、M I N I X 原来的调度算法对非实时进程进行调度本文总结了M I N I X 操作系统中调度程序的移植问题，参考A R M 体系结构，给出了移植方法和相关的数据结构描述，按上述方法即可写出一些相关的程序代码该文所给出的方法与描述同样适用于向其他硬件结构移植另外，该项目的移植工作还很多，希望更多的学者能够参与并进行实际的工作参考文献 1 何立民现代计算机产业革命的2 0 年 J】单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 7(1 2)：3 2 3 4【2 1 崔秀芳，喻方平，常勇基于A R M 的船舶现场监控模块的设计 J】微计算机信息，2 0 0 7，2 3(1 1 2)：1 6 6-1 6 8
21、 3】陈渝，李明，杨柏华原码开放的嵌入式系统软件分析与实践 M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 4】袁太生，张素琴嵌入式环境下L i n u x 移植问题与探讨 J 计算机应用研究，2 0 0 3(1 1)：6 1 6 3【5 P H I L I PJK o o p m a n P e r i l so ft h eP Cc a c h e J E m b e d e dS y s t e mP r o g r a m m i n g，1 9 9 3，6(5)：2 6-3 4【6】A N D R E WST，A L B E R TSW O p e r a t i n gs y s
22、 t e m s：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n M 3r de d U p p e rS a d-d l eR i v e r，N e wJ e r s e y：P r e n t i c eH a l l，2 0 0 6(7】T A N E N B A U MAS，H E R D E RJN，B o sH，C a nw em a k eo p e r a t i n gs y s t e m sr e l i a b l ea n ds e c u r e J I E E EC o m p u t e r，2 0 0 6，3 9(5)
23、：4 4-5 1 8 8I N G M A RAA M i n i xP P C I D A m s t e r d a m：V r i j eU n i v e r s i t y，2 0 0 6【9 1 刘海鹏，张根度M I N I X 新增系统调用的设计与实现【J】小型微型计算机系统，2 0 0 2，2 3(4)：4 8 9-4 9 1 f 1 0 1 吴明晖基于A R M 的嵌入式系统开发与应用 M 1 北京：人民邮电出版社，2 0 0 4 万方数据MINIX嵌入式操作系统进程调度的移植MINIX嵌入式操作系统进程调度的移植作者：王怀武，田丽娜，WANG Huai-wu，TIAN Li
24、-na作者单位：王怀武,WANG Huai-wu(兰州城市学院,现代传媒系,甘肃,兰州,730070)，田丽娜,TIAN Li-na(兰州城市学院数学系,甘肃,兰州,730070)刊名：兰州大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF LANZHOU UNIVERSITY（NATURAL SCIENCES）年，卷(期)：2008,44(3)参考文献(10条)参考文献(10条)1.陈渝;李明;杨柏华 原码开放的嵌入式系统软件分析与实践 20042.崔秀芳;喻方平;常勇 基于ARM的船舶现场监控模块的设计期刊论文-微计算机信息 2007(11-2)3.何立民 现代计算机产业革命的20年期刊
25、论文-单片机与嵌入式系统应用 2007(12)4.吴明晖 基于ARM的嵌入式系统开发与应用 20045.刘海鹏;张根度 MINIX新增系统调用的设计与实现期刊论文-小型微型计算机系统 2002(04)6.INGMAR A A Minix PPC 20067.TANENBAUM A S;HERDER J N;BOS H Can we make operating systems reliable and secure 2006(05)8.ANDREW S T;ALBERT S W Operating systems:design and implementation 20069.PHILIP J Koopman Perils of the PC cache 1993(05)10.袁太生;张素琴 嵌入式环境下Linux移植问题与探讨期刊论文-计算机应用研究 2003(11)本文链接：http:/