現(xiàn)代操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究—基于linux的路由器rtos實(shí)現(xiàn)

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1、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章1．1課題背景第一章引言當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)正在不斷地改變著人們的生活甚至生存方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的極大豐富和網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長(zhǎng)，整個(gè)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正在向著高速化、寬帶化、集成化和智能化的方向發(fā)展。作為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心，路由交換設(shè)備將在全球信息基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用；而路由器本身的設(shè)計(jì)以及功能也在迅速變化。如圖1．1所示，在IP網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的路由設(shè)各主要完成最低三層的處理：即物理層的收發(fā)比特流，數(shù)據(jù)鏈路層的拆包與組幀，以及網(wǎng)絡(luò)層的選路和轉(zhuǎn)發(fā)。圖1．1：路由器在TCP／IP中的

2、位置Figure1．1：RouterintheTCP／1Partwork但是，由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的紛繁復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷增多以及網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長(zhǎng)，路由器系統(tǒng)功能也在迅速擴(kuò)展，其體系結(jié)構(gòu)從早期的單總線、單CPU結(jié)構(gòu)發(fā)展到單總線、多CPU再到多總線多CPU，到現(xiàn)在的高速IP路由器采用交叉開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)各端口之間的線速無(wú)阻塞互連。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)視頻、音頻等各種多媒體服務(wù)逐漸作為增值功能出現(xiàn)在傳統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)中，路由器系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求不斷增加。新的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用對(duì)路由器中的操作系統(tǒng)平臺(tái)提出了新的要求，比如說(shuō)對(duì)稱多處理器支持、分布

3、式計(jì)算能力、系統(tǒng)冗余與容錯(cuò)以及實(shí)時(shí)響應(yīng)與調(diào)度等。可以說(shuō)，傳統(tǒng)的通用系統(tǒng)比如I肌x等根本難以適應(yīng)這些新的發(fā)展要求。在路由操作系統(tǒng)的選型上，眾多設(shè)備廠商都青睞于專用商業(yè)RTOS(RealTimeOperatingsystem)。但是，使用商業(yè)系統(tǒng)往往必須支付高昂的購(gòu)買費(fèi)用和許可證費(fèi)用，并且很難得到其系統(tǒng)的核心源代碼。尤其地，在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，沒(méi)有核心源代碼將會(huì)使我們的產(chǎn)品研發(fā)處于極其被動(dòng)的地位。基于以上思考，我們以路由器操作平臺(tái)研發(fā)為契機(jī)，在開(kāi)放源代碼的Linux通用操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)Linux的實(shí)時(shí)化改造進(jìn)行了深入的研究；本文

4、將具體圍繞嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)這一中心，重點(diǎn)討論我們的研究工作成果。但是，我們的研究并沒(méi)有局限于路由器應(yīng)用，我們的設(shè)計(jì)目的是最終提供一個(gè)適用于各種實(shí)時(shí)計(jì)算領(lǐng)域的高性能RTOS，包括自動(dòng)控制、通信、多媒體、實(shí)時(shí)仿第1頁(yè)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一豐真等等?！猒'______________--_-_●______●_______-________-______-___-________-______一1．2實(shí)時(shí)處理模型圖1．2：用戶空間與內(nèi)核空間處理Figure1．2：KernelSpaceandUserSpaceProc

5、essing下面我們將以具有VolP功能的SOHO路由網(wǎng)關(guān)為例，來(lái)介紹基于Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用。如圖1．2所示，在Linux內(nèi)核空間有一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，其中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中斷處理例程(硬件VolP編解碼處理芯片在收到數(shù)據(jù)時(shí)將觸發(fā)接收中斷)，最終，處于用戶空間的VolP應(yīng)用進(jìn)程將從內(nèi)核空間蔌取數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的協(xié)議處理，并相應(yīng)地將數(shù)據(jù)提交給內(nèi)核從路由網(wǎng)關(guān)的其他端口發(fā)送出去。圖1．3顯示了VolP應(yīng)用的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，從中可以看出，對(duì)于處于用戶空間的信令處理和數(shù)據(jù)編解碼過(guò)程，如果不能得到很好的執(zhí)行期限保證，系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量將是難以保證的

6、。圖1．3：H．323協(xié)議結(jié)構(gòu)及其與TCP／1P模型的對(duì)于關(guān)系Figure1．3：H．323ProtocolStacksPrototypeinTCPfIP下面我們將以一個(gè)實(shí)時(shí)事件的具體執(zhí)行來(lái)討論Linux中的任務(wù)執(zhí)行延時(shí)問(wèn)題。如圖1．4所示，我們用時(shí)間線來(lái)表示一個(gè)典型實(shí)時(shí)事件的處理過(guò)程。在圖中，我們將任務(wù)的執(zhí)行從中斷產(chǎn)生到最終處理完畢分為了四個(gè)部分，整個(gè)過(guò)程存在五個(gè)里程碑似的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)：◇產(chǎn)生中斷：設(shè)備收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生接收中斷；第2頁(yè)東北大學(xué)碩士學(xué)位論又第一章◇中斷例程開(kāi)始執(zhí)行：設(shè)各中斷對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行；◇任務(wù)加入運(yùn)行

7、隊(duì)列：用戶空間的處理進(jìn)程得到喚醒并加入運(yùn)行隊(duì)列：◇任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行：實(shí)時(shí)任務(wù)得到cPU處理時(shí)間開(kāi)始真正運(yùn)行；◇任務(wù)執(zhí)行完畢：屜終，實(shí)時(shí)任務(wù)處理完所獲取的數(shù)據(jù)。A：關(guān)中斷B：粗劣設(shè)計(jì)的設(shè)魯驅(qū)動(dòng)C：粗劣設(shè)計(jì)的內(nèi)校模塊D：產(chǎn)生硬件中斷E：等待總線F：沒(méi)有命中高速緩存0：下半韶分運(yùn)行H：內(nèi)桂不可搶占l：優(yōu)先級(jí)倒置J：高優(yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)法被調(diào)度運(yùn)行K：對(duì)硅盤操作的批處理請(qǐng)求L：磁盤操作不支持DM^方式A．B，C，D，E．FB．DD，F(xiàn)．G．H，1’J．KL1．2．1中斷等待延時(shí)圖J．4：一個(gè)典型實(shí)時(shí)任務(wù)的時(shí)間線Figurel．4：TheTi

8、melineofaTypicalReal—TimeTask中斷等待延時(shí)是上述時(shí)間線的第一段，一般來(lái)說(shuō)該段時(shí)間是很短的。通常，在一臺(tái)Intelx86體系結(jié)構(gòu)的CPU上其值大概為15微秒。而影響該值的因素如圖示主要有以下兩個(gè)大的方面：◇內(nèi)核中斷關(guān)閉狀態(tài)：在內(nèi)核里，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某些共享資源的互斥訪問(wèn)，必須保證中