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1、 CN43-1258/TP ISSN 1007-130X 计算机工程与科学COMPUTER ENGI NEERI NG SCIENCE2006年第28卷第5期 Vol.289No.592006=文章编号!1007-130X(2006)05-0058-03一个基于嵌入式实时操作系统内核的状态 A State Monitor Based on the Kernel of EmbeddedReal-T i me Operating Syste ms刘云生 汪 磊LIU Yun-shengWANG Lei#华中科技大学计算机科学与技术学院 湖北 武汉430074$#S chool of Compute
2、r S cience and TechnologyHuazhong University of S cience and TechnologyW uhan 430074China$摘 要!在嵌入式实时系统的研发过程中!传统的交叉调试技术无法全面了解系统的实时运行状态更为严重的是!它会破坏运行任务的实时性本文在嵌入式交叉调试器研究的基础上提出并实现了一种基于嵌入式实时内核的系统状态监视器!它不但能够获取开发者所需的系统状态数据!而且能够有效保证运行任务的实时性Abstract:In the develop ment of real-ti me syste ms9the traditional c
3、ross debugging technology cannot completely dealw ith the real-ti me operating state of the whole syste m9and it can even greatly endanger the real-ti me perfor mance of the sys-te m.W ith the experience of developing cross debuggers9this paper introduces a state monitor based on the kernel of e mbe
4、d-ded real-ti me operating syste ms.The monitor can obtain necessary state infor mation and ensure the real-ti me perfor mance ofthe syste m at the sa me ti me.关键词!嵌入式实时操作系统#交叉调试器#监视器Key words$e mbedded real-ti me operating syste m#cross debugger#monitor中图分类号!TP316 文献标识码!Al 引言随着嵌入式实时操作系统的出现9中断管理 进/线
5、程调度 进程间通讯等机制都被引入到嵌入式系统中o嵌入式系统的运行状态变得十分复杂9传统的交叉调试技术很难有效地分析 了解系统的实时运行状态o并且9交叉调试技术是一种中断式的人工调试技术9其中断时间在实时应用环境下是无法接受的o因此9必须有一种更高效且满足实时应用需求的调试手段o在嵌入式实时操作系统ARTs-OS的交叉调试器研究过程中9笔者体会到了这种调试技术的局限性o于是9我们设计并实现了一种基于ARTs-OS内核的实时运行状态监视器KAwareoKAware能够在尽可能减小对系统实时性影响的前提下感知并记录ARTs-OS内核状态的变化9并以图形化的方式呈现给系统开发者o本文首先分析了现有各种
6、监视技术的优点及局限性9然后 给 出 了KAware的 层 次 设 计 结 构9 重 点 介 绍 了KAware在减小对系统实时性能影响上所采用的技术o2 相关工作比较传统的嵌入式调试技术称为交叉调试技术(Cross-de-bugging)9其调试主体运行在主机端9用插桩的方式将一小段代码(stub程序)植入目标机的软件系统中9用于接管异常及调试中断并受主机端控制o这种技术解决了嵌入式系统往往因资源受限而不能运行一个完整调试器的问题o但是9其效率较低并且会严重影响到任务的实时性oRay Ford在文献 1中介绍了一种通用嵌入式实时监视子系统(GERTM s)9其设计是一个附加到应用进程上的监视
7、器模块9用于监视系统中各个应用进程上产生的事件o这种方法虽然能够很好地监视系统应用9但对于嵌入式操作系统自身的开发却没有多大帮助o英特尔欧洲超级计算机研发中心为他们的Paragon并行计算系统设计了一套性85 收稿日期!2004-09-01;修订日期!2004-10-22基金项目!国家自然科学基金资助项目(60073045);预研项目基金资助项目(J W 0529);十五 预研项目基金资助项目(J15.3.3)作者简介!刘云生(1940)9男9湖南衡阳人9教授9博士生导师9研究方向为现代数据库理论与技术及其集成实现 数据库和信息系统开发;汪磊9硕士生9研究方向为嵌入式系统调试技术o通讯地址!4
8、30074湖北省武汉市华中科技大学科技产业大厦华详软件研发中心;Tel:(027)87522513913507179131;E-mail:Address:Huaxiang R d Center9Huazhong University of Science and Technology9Wuhan9Hubei 4300749P.R.China能监视工具集 2 它在每个分布式主机上监视功能的实现方法类似于GERTM s 是一种集成于核外应用的监视器 这套系统用于分析分布式计算环境的性能 和我们的试验环境不同 无法直接应用 但其层次结构设计很值得借鉴 文献 3 4 介绍的也是一种分布式环境下的监视器
9、 其中文献 3 提到了系统内核对系统状态监视的支持 EventTap 这一点类似于KAware的设计思想 本文试图结合以上各种监视器的设计 为ARTs-OS提供一个可靠的实时内核监视器 3 KAware实时内核监视器KAware的设计目的是将ARTs-OS的内部状态以图形化的方式显示出来 作为调试器的辅助手段 让开发者能够十分直观地了解ARTs-OS的实时内部状态变化过程 通过增加软件监视功能 避免了交叉调试技术对任务执行的长时间中断 但是 监视器的运行仍然不可避免地会增加系统开销 对运行任务的实时性造成影响 这个问题在实 时 调 试 技 术 中 就 已 经 存 在 即 探 针 效 应 Pro
10、beEffect 文献 5 探讨了这种影响以及用来减小这种干扰性的技术 KAware在设计上必须采取合理的结构 将这种影响降到最低 3.l ARTs-oS简介ARTs-OS是自主研发的采用微内核设计思想和构件化结构的嵌入式实时操作系统 其结构如图1所示 分为四个层次 硬件抽象层 HAL 实时微内核层 系统服务组件层和应用层 图1 ARTs-OS系统结构其中 硬件抽象层封装了与芯片相关的代码 实现对硬件的可移植性 实时微内核实现进程 线程管理 基本内存管理 进程 线程间的通讯和同步管理 基本时钟和中断管理以及内核调试 监视功能 系统服务组件层主要有I O管理接口 设备驱动 网络接口以及文件系统等
11、功能 最上层的应用层提供应用编程接口 POSI X标准API 基本交互式接口SHELL以及应用开发调试工具等 系统服务组件层和应用层都属于核外 3.2 KAware系统结构KAware采用的是主机+目标机的结构 其主要组成部分为基于ARTs-OS内核的监视模块 核外数据发送线程 主机端的数据采集处理器以及面向开发者的图形化显示工具集 如图2所示 图2 KAware系统结构3.3 内核监视模块ARTs-OS系统内部可被监视的状态变化很多 如各种中断的产生 内存分配 回收 进 线程调度 进 线程间通讯等 监视的内容越多 开销也就越大 KAware的内核监视模块能够在系统生成时配置所需监视的内容 这
12、样就避免了冗余的监视开销 提高了实时性 内核监视模块采用事件模型感知系统状态的变化 每当一个受监视的状态变化产生时 由相关模块通知监视模块 此时 监视模块将此次变化封装成一个的四元组 称为一个事件 其中 Id表示事件编号 TI MESTAMP是一个产生自CPU的时间戳 TYPE表示事件类型 而I NFO记录下此事件的相关信息 封装好的事件被保存到核外发送线程内的事件缓冲区中 然后内核监视模块立刻返回 不涉及事件的处理 发送 对于某些频繁发生的事件 采用设定阈值的方法 当状态变化幅度超过设定的阈值时 才产生一个事件 这样就可以有效地控制事件产生的频率 3.4 核外数据发送线程由于串口通信本身速度
13、的限制 通过串口和主机通信相对于很多实时应用是一个十分 缓慢 的过程 为了避免这种串口通信的时间开销对系统实时性造成影响 我们采用了感知事件和发送事件数据相分离的方法 数据发送由核外特定线程负责 核外数据发送线程比实时应用线程的优先级要低 由于ARTs-OS采用基于优先级的抢占式调度策略 因而只有在系统中没有实时任务或实时任务都挂起时 数据发送线程才有机会运行 此时 它将事件缓冲区中记录的事件数据通过串口发送给主机 这样 串口通信的时间开销就不会对整个系统的实时性能造成影响 3.5 数据采集处理器数据采集处理器位于监视主机端 它是KAware中最繁忙的部分 KAware中所有复杂的计算工作都由
14、此模块完成 它的主要功能有 1 接受目标机端发送的事件数据 分析计算事件的相关信息 2 记录处理结果到日志文件 数据库 中 3 计算各种性能数值 如CPU利用率 各个线程执行时间等 4 接受图形化显示工具的显示要求和查询请求 5 按需求将处理结果交由图形化显示工具来显示 953.图形化工具集图形化工具集是面向ARTs-OS开发者的一套可视化窗口工具9它将数据采集处理器分析 处理的结果以各种表格 图形的方式显示出来9便于开发者对ARTs-OS内部状态有直观的理解O它是KAware监视系统唯一的用户接口O4 KAware实时性能分析KAware在整体结构上仍然是采用交叉技术9将监视器中负载最重的数
15、据计算处理模块分离到主机端9目标机只需要收集 发送数据即可O这样9就能够有效地减少目标机监视模块的工作量9减小对ARTs-OS实时性的影响O同时9KAware在设计上采用了将事件数据记录 传送相分离的策略9把传送事件数据的工作放到核外低优先级的特定发送线程中O这样9就能够保证发送数据的工作不会影响到ARTs-OS上任何其他实时线程O某些监视技术采用定时查询内核状态的方法O这种方法的精确性依赖于定时的时间间隔9间隔越小精度越高3可是9同时查询频率也就越高9系统开销也就越大OKAware采用的是感知系统状态变化的事件模型O相比定时查询的方法9事件模型可以大大降低内核监视模块的负载9减小对ARTs-
16、OS内核实时性的影响9同时获得完整的系统状态变化过程O5 结束语本文介绍的嵌入式系统内核监视器KAware能够在保证系统实时性的前提下获得嵌入式操作系统完整的内部状态变化数据9并以直观的图形方式反馈给系统开发者O这样一种 设 计 能 够 有 效 地 提 高 系 统 开 发 者 的 工 作 效 率OKAware已在ARTs-OS的研发中起到了重要作用O参考文献:1 Ray Ford.A Generic Embedded Real-T i me Monitor Subsys-te m A.Proc of the 1990 ACM Annual Conf on Cooperation C.1990.
17、312-318.2 Bernhard Ries9R Anderson9W Auld9et al.The Paragon Per-for mance Monitoring Environ ment A.Proc of the 2nd Int lACPC Conf on Parallel Computation C.1993.850-859.3 Hideyuki Tokuda9M akoto Kotera9C lifford E M ercer.A Re-al-T i me Monitor for a d istributed Real-T i me Operating Sys-te m A.Pr
18、oc of the 1988 ACM SI GPLAN and SI GOPSWorkshop on Parallel and d istributed debugging C.1988.68-77.4 Kirit J Sheth9Sairan V Iyer9K C Anand.A Non-Pree mptiveMonitor for Real-T i me Applications A.TENCON 89 C.1989.5 刘建9沈美明9郑纬民.调试器对并行程序干扰特性的研究 J.计算机学报92002925(2):122-129.!上接第38页5 结束语传统的直方图均衡算法是一种快速而有效的
19、图像整体对比度增强算法O但是9该算法所采用的积分变换对于图像质量会产生两方面的负面影响:其一9导致低频灰度级的合并9从而导致图像细节丢失3其二9导致图像中高频灰度级对应区域的图像噪声幅度增大O本文提出一种基于分频和融合处理的思路9采用高斯低通滤波器将图像分为低频分量和高频分量9对低频分量采用直方图均衡算法处理9对高频分量进行线性加权增强9之后再将低频分量和高频分量融合成最终的处理结果O采用这种处理方法可以防止直方图均衡过程对图像噪声的选择性放大9以及对低频灰阶的合并导致图像细节信息丢失O实验结果表明9经过本文算法增强之后的图像整体视觉效果得到有效改善3同时9图像的直方图具有更多的灰度级9细节信
20、息更为丰富9从中可以提取更多有意义的图像特征O参考文献:1 Lee Jongsan.d igital I mage Enhance ment and Noise Filteringby Using of Local Statistic J.IEEE Trans on Pattern Anal-ysis and M achine Intelligence9198092(2):165-168.2 S Pizer.Adaptive Histogra m EGualization and Its Variations J.ComputerV ision and I mageUnderstanding9
21、1987939(3):355-368.3 Hui Zhu9Francis H Y Chan9F K La m.I mage Contrast En-hance ment by Constrained Local Histogra m EGualization J.Computer V ision and I mage Understanding91999973(2):281-290.4 Yeong Taeg Ki m.Contrast Enhance ment Using BrightnessPreserving B i-Histogra m EGualization J.IEEE Trans
22、 onConsu mer Electronics91997943(1):1-8.5 宋刚9刘瑶华.一种能强化细节的自适应直方图均衡法 J.山东工业大学学报91999929(1):81-87.6 曹聚亮9吕海宝9谭晓波9等.可保留图像细节的直方图修正法 J.中国图象图形学报9200499(5):631-635.7 刘哲.基于信息融合的遥感图像处理方法研究:博士学位论文 d.西北工业大学92002.8 R Kenneth9Castle man.d igital I mage Processing M.Pren-tice Hall9Inc91996.9 王润生.图像理解 M.长沙:国防科学技术大学
23、出版 社91995.10 孙 即 祥.数 字 图 像 处 理 M.石 家 庄:河 北 教 育 出 版 社91993.11 曹新华9刘新明.一种快速自适应直方图均衡叠代算法 J.中国医疗器械杂志91997921(1):8-11.06一个基于嵌入式实时操作系统内核的状态一个基于嵌入式实时操作系统内核的状态作者：刘云生，汪磊，LIU Yun-sheng，WANG Lei作者单位：华中科技大学计算机科学与技术学院,湖北,武汉,430074刊名：计算机工程与科学英文刊名：COMPUTER ENGINEERING AND SCIENCE年，卷(期)：2006,28(5)参考文献(5条)参考文献(5条)1.
24、刘建;沈美明;郑纬民 调试器对并行程序干扰特性的研究期刊论文-计算机学报 2002(02)2.Kirit J Sheth;Sairan V Iyer;K C Anand A Non-Preemptive Monitor for Real-Time Applications 19893.Hideyuki Tokuda;Makoto Kotera;Clifford E Mercer A Real-Time Monitor for a Distributed Real-TimeOperating System 19884.Bernhard Ries;R Anderson;W Auld The Paragon Performance Monitoring Environment 19935.Ray Ford A Generic Embedded Real-Time Monitor Subsystem 1990 本文链接：http:/