嵌入式操作系统的内核研究
资料包括： 论文(40页20133字) 任务书 开题报告
说明：
摘要：嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心部分，是系统功能的外在表现，它控制着整个系统的所有资源并提供开发应用程序的基础。由于Linux操作系统所具有的若干优良特点，例如，源代码免费、内核稳定高效，使得基于Linux来研究嵌入式操作系统成为一种廉价、高效率、市场前景广阔的研究策略。
Linux的内核资源丰富，功能完善，工作稳定。本文首先介绍了虚拟文件系统模块、进程通信模块、网络接口模块的工作原理。在对其组成模块深入的分析基础上，着重剖析了内核的内存管理模块和进程管理模块。然后通过研究Linux进程调度算法实时性问题，提出了一种基于动态优先级的进程调度的实现方案。该算法提出了一种动态的优先级的思想，可以根据进程的状态来改变进程的优先级，能够较好的适应系统的实时性要求。设计并实现了该算法，通过实验模拟，表明其具有良好的性能。最后进一步介绍了Linux内核编译，升级和移植的方法。
关键词：嵌入式操作系统，Linux内核，进程
Research on the Kernel of Embedded Operating System
Abstract ：Embedded operating system is the key part of embedded system and the outer representation of system functions. It controls all the resources of the whole system and provides the foundation for exploiting and applying programs. Linux operating system possesses a variety of good characteristics: for example, the formal code is free and the kernel of it is steady and highly effective. These advantages make the research on embedded operating system, which is based on Linux, a research strategy that is highly effective and of broad market prospects.
Linux kernel is rich in resources, functions and stable when it works. This paper introduces the work principles of the Virtual File System module, the process of communication module and the network interface module. In its in-depth modules based on the analysis, it focuses on an analysis of the kernel memory management module and process management module. Through doing researching on the process of Linux for real-time scheduling algorithm, this paper presents a dynamic priority based on the process of realization of program scheduling. The algorithm presents a dynamic priority of thinking, which can change the process priority according to the state of the process and better adapt the real-time requirements. This algorithm has strong advantages in improving the real-time system. This paper designs and implements the algorithm and the simulation test confirms its good performances. Finally, this paper introduces the compiling, upgrading and transplanting methods on the Linux kernel.
Key words: embedded operating system, Linux kernel, process
1.绪论
1.1课题来源及研究意义
嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的出现,将大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起。在嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。近年来，随着电子技术的不断进步，嵌入式系统开发己成为热点，而Linux作为一个自由软件，也得到了极大的发展，嵌入式系统与Linux的结合，正日益被人们看好。Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中的仿真工具（ICE）的障碍。Linux具有内核小，效率高，源代码开放等优点。强大的网络支持使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。所以在Linux的基础上，借鉴它的思想、结构，对其进行改造来构建嵌入式操作系统是一个明智之举。
1.绪论1
1.1课题来源及研究意义1
1.2 Linux特性简介1
1.3研究发展现状3
1.4本文结构3
2. Linux内核体系结构4
2.1内核结构概述4
2.2内存管理模块6
2.2.1虚拟内存6
2.2.2请求调页7
2.2.3交换8
2.2.4共享虚拟内存9
2.2.5访问控制9
2.3进程管理9
2.3.1 Linux进程数据结构10
2.3.2进程调度与切换11
2.4虚拟文件系统15
2.4.1组成模块15
2.4.2数据表示16
2.5网络接口16
2.5.1组成模块16
2.5.2数据表示16
2.6进程间通信16
3.嵌入式操作系统的进程调度的改造18
3.1算法提出18
3.2一般嵌入式操作系统的进程调度18
3.2.1 FCFS进程调度算法18
3.2.2静态优先级调度算法18
3.2.3两种算法存在的缺陷19
3.3动态优先级调度算法20
3.3.1动态优先级基本法则20
3.3.2算法的模拟与实现20
3.3.3程序结果28
3.4结论28
4. Linux内核的编译与移植29
4.1配置内核29
4.2编译内核和模块30
4.3内核移植31
总结33
致谢34
参考文献35
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作者点评：
本论文的主要目的在于，把论文中提出的一种算法与现在嵌入式操作系统中的几种进程调度算法进行比较。从而得出动态优先级调度算法的实时性效果是有一定保障的。为了实现这一目标，课题主要做了以下工作:
1. 对Linux的系统特性进行了简要的分析，并对当前流行的嵌入式操作系统进行了比较，从而指出目前研究嵌入式操作系统的紧迫性和重要性。
2. 对Linux内核的体系结构和实现机制进行了研究，重点对进程管理、内存管理模块、文件系统等相关部分的结构和功能进行了深入分析。并比较衡量了当前几种Linux进程调度算法。
3. 指出了实时操作系统的性能要求和Linux嵌入式操作系统在实时性方面的缺陷，提出现在流行的动态优先级的进程调度算法，指出其实现的思路，并模拟实现了这个算法。
4. 简单的介绍了对改写后的内核进行重新编译的方法和过程。并对其进行适当的配置，从而使系统能够重新运行。
由于个人经验不足，知识面窄等各种原因，系统设计过程中遇到了不少问题：
1. 对于嵌入式及嵌入式Linux有了一定的了解，在某些方面深度还不够，有些问题没有从本质的层次上去理解。
2. 虽然动态优先级的调度算法简单实现，但是进程状态仅仅局限于两种，考虑的不是非常周到。
今后的可进一步做的工作：
在今后的时间里，还需要更系统的学习有关Linux和嵌入式内核的知识；把简单实现的算法在今后的研究过程中更好的与实际情况相吻合；进一步学习研究Linux内核的编译与移植。