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关键词： 嵌入式实时操作系统   任务调度   互斥信号量  

摘要： 随着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式实时操作系统的应用场景越来越广泛，同时一些机械设备和军工科技也对嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性提出了更高的要求。针对实时内核的改进不在少数，但仅在软核上改进算法已无法明显改善系统的实时性，而目前基于FPGA的硬件技术的发展比较成熟，硬件逻辑并行处理数据能够节省大量的系统时间，因此在改进软核算法的基础上，将软核硬件化是当前主流的研究方向。　　本文选取μC/OS-II操作系统为研究对象。首先针对其调度算法仅支持基于优先级的调度策略限制系统应用场景的问题，分析现有的调度算法，提出两级混合调度策略。第一级调度保留原内核基于优先级的策略，第二级调度采用同优先级调度策略，实时任务采用时间片轮转算法，非实时任务采用先来先服务算法。由此来为原内核增加同级调度并扩充支持的任务数。　　其次，任务间通信机制是任务调度必不可少的部分，针对μC/OS-II操作系统中互斥信号量机制频繁挂起任务开销较大的问题，对互斥信号量进行改进，将其实现机制进一步划分为读和写操作，使得在一个读任务占有信号量时，其它想读共享资源的任务依然可以申请到信号量，达到读/读共享、读/写互斥、写/写互斥，从而提高任务之间通信的执行效率。　　最后在Altera公司的Quartus II软件开发环境下，采用Verilog硬件描述语言分别完成改进后的任务管理和任务调度以及互斥信号量模块的硬件实现，并完成各部分的功能仿真及验证。

关键词： 实时操作系统   实时性分析   WCET   Chronos  

摘要： 随着科技和社会的发展,实时操作系统已经应用到了人们生活的方方面面,尤其是航空航天,移动设备以及汽车等领域,已经离不开实时操作系统的支持。与普通的操作系统相比,实时操作系统通常要求能够严格保证任务在特定时间内完成,不能有较长的延迟,评价实时操作系统好坏的一个重要方式就是分析它的实时性。因此,本文针对影响实时操作系统实时性的重要因素做了研究和分析,针对这些因素设计了实时性的分析方法。最坏执行时间（Worst-Case Execution Time,WCET）分析是为了获得程序在最坏情况下的执行时间,这一指标对于操作系统的实时性具有重大影响。本文通过调研目前实时操作系统的实时性分析方法,发现大多数对RTOS实时性的评测都是采用基于测试的方法,对其进行WCET分析的研究工作还比较少。本文首先研究了WCET分析的关键技术,接着从ARM指令集的移植,ELF文件的解析,微架构模型的建模分析三个方面入手,在开源工具Chronos的基础上设计并实现了一套ARM架构下的静态WCET分析工具。接着,利用实现的WCET分析工具,针对电子科技大学自主设计并实现的微内核操作系统mginkgo进行了WCET分析方案的设计,由于分析工具的局限性,无法设计出针对所有实时性指标的静态分析方案,为了能保证得到全面的实时性分析结果,本文还设计了针对具体性能指标的动态测试方法,从静态WCET分析和动态测试两个维度来描述mginkgo的实时性。最后,针对任务切换时间、调度器延迟时间,系统调用延迟、中断响应时间等影响mginkgo实时性的重要指标,通过分析工具和开发板测试,得到这些指标的时间,并对这些时间进行分析,得到操作系统的实时性结论,还总结了在对实时操作系统进行WCET分析时可能遇见的问题以及解决方法。

关键词： 操作系统   帮语   服务调度   中断   总线  

摘要： 操作系统是管理计算机软件和硬件资源的一个系统软件。随着业务场景的挖掘,越来越多的流程复杂的应用涌现出来。然而,复杂的应用往往涉及到多个跨领域、架构不一甚至事务隔离的服务。软硬件资源的调用方式不一,数据孤岛化,要整合多个应用,设计师往往要屈服于采取重构各系统的低效办法,当整合后的系统又遇到新的领域系统需要集成,将会对开发带来不小的压力。不同软件和硬件的灵活交互方式很难基于传统操作系统实现,不同服务提供者各自建设各自运营,容易形成数据壁垒,信息资源共享困难,因此,需要一种为不同服务实现热插拔,易集成,互联互通的技术。本文基于一种数字化社会容器——帮区,设计并实现了一种服务操作系统原型,将软硬件服务抽象成一个个帮区,让开发人员通过帮区对业务领域进行建模,对软硬件资源和人员进行管理。提出了一种总线原型,以实现个基于帮区的服务的互联互通,同时,为帮区添加事件元素,设计并实现了一种解耦的服务间中断机制,实现服务之间灵活的信号传递。权限方面,以ABAC模型为基础,赋予帮区灵活的鉴权能力。除此之外,本文还为总线系统的设计了分布式服务调度系统,用以支撑事件型、周期性和延时性的任务。基于总线模型,分析出系统核心业务的中文表述并从中抽取服务操作系统中关键的命令描述,基于帮语——一种面向非开发人员的编程语言,结合各种资源控制场景特性设计了系统命令,并基于这些命令对智慧实验室等应用进行快速开发,证明服务操作系统足以提供非编程的个性化软硬件管理和集成技术手段,为低成本开发提供系统基础。

关键词： 非对称多核   异构操作系统   核间协同   核间函数调用   核间数据传输  

摘要： 随着计算机处理任务的多样化与复杂化,传统的对称多核处理器(SMP,Symmetric Multiple Processor)逐渐无法满足任务要求,非对称多核处理器(AMP,Asymmetric Multiple Processor)成为一个新的研究热点。针对嵌入式应用领域的MPU+MCU架构就是其中一个重要的研究方向。与SMP架构处理器或AMP架构中的性能非对称处理器只运行单一操作系统不同,MPU+MCU架构的处理器通常会在不同架构的核心上运行不同的操作系统(例如Linux和RTOS)。通过运行在不同核心上的异构操作系统间协同工作,更好地处理复杂应用所面临的各种任务。但是,MPU+MCU架构现有的核间通信机制只能进行简单的信息传递,对于异构操作系统间的协同开发支持较为有限。在实际开发中,仍需开发人员为核间协同做大量工作,对开发人员要求较高。本论文针对上述问题,基于STM32MP157芯片运行的Linux系统和RTThread系统,利用现有核间通信机制,以及RPC、DMA等技术,设计并实现了一套异构操作系统间的协同机制。该机制实现了核间函数调用机制和核间数据传输机制。核间函数调用机制允许Linux侧应用程序调用RTOS侧函数。核间数据传输机制则向用户提供统一的调用接口,在Linux侧或RTOS侧均可以主动发起数据传输。本文主要工作内容如下:(1)研究了STM32MP157处理器中MPU核与MCU核的架构特点,针对操作系统协同的两大关键部分:执行流和数据流,分别提出了对应的协同需求。对于执行流,核间函数调用机制需要在不改变开发者编程习惯的情况下,完成Linux侧对RTOS侧函数的调用。对于数据流,针对不同应用程序的数据传输需求,核间数据传输机制需要提供不同的数据传输方案。(2)研究分析了RPC(Remote Procedure Call)框架,根据异构操作系统间执行流的协同需求和MPU+MCU架构芯片的特点,设计并实现了核间函数调用机制。(3)研究了现有核间通信机制的运行框架,针对异构操作系统间不同的数据传输场景,基于DMA(Direct Memory Access)传输框架,设计出不同的数据传输方案,以满足操作系统间数据流的协同需求。最后,针对本文设计实现的协同机制,分别设计实验对核间函数调用机制和核间数据传输机制进行测试。测试结果表明,该协同机制达到了预期的设计目标,可以有效的完成核间函数调用与核间数据传输。利用该机制,开发者可以更加便捷地完成核间协同任务的开发,开发效率得到大幅提高。

关键词： FPGA   μC/OS-Ⅱ操作系统   任务调度   互斥信号量  

摘要： 随着嵌入式技术的飞速发展,嵌入式实时操作系统的应用场景越来越广泛,同时一些机械设备和军工科技也对嵌入式实时操作系统的实时性和可靠性提出了更高的要求。针对实时内核的改进不在少数,但仅在软核上改进算法已无法明显改善系统的实时性,而目前基于FPGA的硬件技术的发展比较成熟,硬件逻辑并行处理数据能够节省大量的系统时间,因此在改进软核算法的基础上,将软核硬件化是当前主流的研究方向。本文选取μC/OS-Ⅱ操作系统为研究对象。首先针对其调度算法仅支持基于优先级的调度策略限制系统应用场景的问题,分析现有的调度算法,提出两级混合调度策略。第一级调度保留原内核基于优先级的策略,第二级调度采用同优先级调度策略,实时任务采用时间片轮转算法,非实时任务采用先来先服务算法。由此来为原内核增加同级调度并扩充支持的任务数。其次,任务间通信机制是任务调度必不可少的部分,针对μC/OS-Ⅱ操作系统中互斥信号量机制频繁挂起任务开销较大的问题,对互斥信号量进行改进,将其实现机制进一步划分为读和写操作,使得在一个读任务占有信号量时,其它想读共享资源的任务依然可以申请到信号量,达到读/读共享、读/写互斥、写/写互斥,从而提高任务之间通信的执行效率。最后在Altera公司的Quartus Ⅱ软件开发环境下,采用Verilog硬件描述语言分别完成改进后的任务管理和任务调度以及互斥信号量模块的硬件实现,并完成各部分的功能仿真及验证。

摘要： 未来,你对智能手机生态系统的选择可能会决定你选择哪种品牌和型号的汽车几年后,除了品牌和型号,选购新车时可能还有一件事让你头疼,那就是车载系统选谷歌的还是苹果的?甚至还会有更多选项,比如“汽车通用款”“亚马逊高级会员版”等。汽车,尤其是电动汽车,逐渐成为轮子上的智能手机。一些手机行业的佼佼者都进入了汽车行业。为此,过去几年,智能手机的两大巨头在这一行业又有了新领域的竞争,

关键词： 双边遥操作系统   RBF神经网络   采样控制   事件触发机制   DoS网络攻击  

摘要： 双边遥操作系统能够延伸人类的控制范围、增强人类的感知能力,在太空探索、深海探索、救灾医疗等领域为人类提供诸多的便利,减少这些领域作业的局限性和危险性。双边遥操作系统是非线性复杂系统,并且在实际的运行过程中可能还会受到外界的未知干扰影响,这会增加系统的复杂性和不确定性。网络化双边遥操作系统在传统双边遥模型的基础上使用数字网络作为数据通信信道,进一步增加系统的可拓展性和便利性。但是在系统的网络化过程中,引入传输数据离散化、网络丢包、网络时延、网络带宽限制等新的控制难点。在进行控制器设计时,考虑到神经网络针对非线性模型的优秀逼近能力,因此我们采用以神经网络为基础的控制方式对系统进行控制。在上述思考的基础之上,本文对这些难点进行研究,主要包含以下几个方面:(1)基于径向基神经网络的双边遥操作系统采样控制研究。由于在双边遥操作系统中引入通信网络,需要对系统状态进行采样打包才能进行网络传输。针对网络通信问题,建立系统采样数据模型和数据处理模型。针对系统不确定性和干扰未知性,引入基于径向基神经网络的滑模控制方法进行控制,给出相应的控制方程和自适应参数更新律,最后选择合适的Lyapunov函数对系统模型的稳定性进行证明。(2)基于事件触发机制的双边遥操作系统采样控制研究。考虑到大批量、高频率的采样数据通过网络传播时,不仅增大了网络压力、浪费网络资源,还可能会增加丢包可能性。为减少冗余数据的传输带来的影响,引入事件触发机制和数据处理机制,在此基础上建立新的采样数据模型,设计出基于RBF神经网络的控制器,并通过使用Lyapunov方法对该系统模型的稳定性进行证明。(3)针对DoS网络攻击下双边遥操作系统采样控制问题进行研究。在网络传输过程中,网络自身因素和Do S网络攻击都可能会引起丢包现象。丢包现象可能会对系统的跟踪性能产生影响,严重的话可能会造成系统的不稳定现象。针对这个问题,首先引入两个伯努利参数分别建立网络自身丢包模型和Do S网络攻击丢包模型,接着在此基础上建立丢包情况下的采样数据模型和数据处理机制,然后设计出基于RBF神经网络的控制方法来对系统进行控制,最后选取Lyapunov函数对系统模型的稳定性进行证明。

标准号: T/CIITA 113-2021