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实时操作系统的若干关键问题研究

陈晗斐  
【摘要】:高可靠实时系统设计是一个复杂、耗时的过程,其中牵涉到实时理论、可靠性工程、不同的应用环境特征等多个问题,而其中每一个部分又有众多的研究课题。随着实时嵌入式操作系统的出现,使得实时系统又多了一个新的工具。针对航空航天、工业控制等不仅有硬实时性要求,又具有高可靠性要求、有限的硬件环境限制、容错的复杂性等特点的领域,如何在操作系统中提供对这些特定系统的支持,减少实时系统的设计复杂度,同时又能保证系统良好的实时性能,是本论文的研究重点。 本论文力图从航天计算机及工业控制系统的实际需求出发,对面向高可靠实时领域的嵌入式操作系统中的几个关键问题进行全面而深入的研究,并在此基础上实现一个功能完善,性能优良,采用COTS技术,面向高可靠系统的实时嵌入式操作系统。 本论文的工作主要集中在以下几点: 1.研究并探讨了适用于工业控制及航空航天计算机的实时嵌入式操作系统的体系结构以及其内部功能模块。对操作系统的任务调度与管理、内存分配、中断与异常处理、可靠性技术、输入输出系统以及可靠性容错支持等部分的原理及实现技术进行了分析。 2.针对现有的实时系统内核中,由于关中断而带来的中断响应时间较长的问题,提出了利用中断延时队列来提高系统中断响应的方法。该方法消除了操作系统内核级操作对中断响应时间的影响,从而使得中断响应时间仅由处理器硬件决定,和以往的技术相比,具有较高的研究价值。本文介绍了这个技术在X86、ARM平台上的实现过程以及在实现中需要注意的相关问题。 3.对嵌入式环境下实时文件系统中的缓冲分配算法进行了深入的研究,并在此基础上,提出了平方根缓冲分配算法,与以往动态软实时文件系统中性能最优的平均缓存分配算法的实验比较结果显示,该算法更适用于输入输出码流是静态决定的嵌入式环境下。 4.针对工业控制等高可靠计算机系统对容错性能的特殊要求,基于COTS实时嵌入式操作系统内核功能,研究并建立了适用于高可靠实时计算机系统的多模容错操作系统模型,并对此操作系统的系统时钟与任务同步、故障检测与恢复以及交互一致性网络等关键问题进行了研究与探讨。 5.研究了基于COTS的多模容错操作系统的任务模型,并对该任务模型的实时性能进行了详细的推导,给出了保证系统关键任务实时性能的通用公式。 本论文的研究工作为实时嵌入式操作系统在高可靠实时系统中的应用提供 浙江大学博士学位论文 了一条新的途径,从而达到减轻这些系统设计的复杂性,提高可维护、可升级、 百丁移植性能的目的。


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