CN111209046A - 一种面向多任务处理的嵌入式sparc处理器操作系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法。该方法首先将Linux操作系统移植到SPARC处理器，然后对Linux调度方式进行改进，在诸多任务请求处理情况下，采用任务按优先级可抢占、同优先级时间片轮转调度的方法进行多任务内核调度，对应用层的多个任务有序处理，进而实现了嵌入式操作系统多任务调度的目的。本发明利用多任务处理机制实现了多个任务对设备实时而有序处理，满足了嵌入式操作系统软件的高可实时性要求。

Description

一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计 方法

技术领域

本发明属于操作系统技术领域，尤其涉及一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法。

背景技术

SPARC是一种精简指令集体系结构，最初由美国的SUN公司提出，之后成为开源的处理器指令集体系结构。目前，采用第八版SPARC指令集体系结构(SPARC V8)标准的处理器在航天、航空、工业控制等嵌入式领域广泛应用。随着SPARC处理器处理任务的增多，使应用场景变得更加复杂。应用系统大多是多任务、实时系统，其中涉及大量的外部设备，并且这些外部设备往往需要协同、并行工作，对系统的设计和实时性有较高的要求。在这样的复杂多任务的情况下，为了保证每个任务都能及时获得适当的SPARC处理器资源，执行该任务完成相应的功能，内核必须给出一种策略，对所有的任务进行适当排序，即任务调度。任务调度主要完成两个功能：确定被执行的任务、确定任务占用SPARC处理器资源时间。普通系统和实时系统采用不同的调度算法，不同的调度算法决定了系统的实时性能。

传统嵌入式Linux操作系统实时性不高，是因为所采用的调度算法多为分时调度算法，如先来先服务算法等，并且调度算法中没有任务间的抢占因而不能保证系统对高优先级任务的及时响应。

为了解决传统嵌入式Linux操作系统任务调度的弊端、提高任务处理的实时性，必须设计一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统，正确有序访问多任务资源，保证任务的执行顺序，从而保障嵌入式系统的稳定运行，提高应用程序的运行效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法，解决多任务调度分配和实时处理问题。

本发明的技术解决方案是：

一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法，包括如下步骤:

(1)利用SPARC在Linux平台上的交叉编译工具链，使用sparc-linux-gcc在PC机上建立交叉编译环境，设置环境变量；

(2)在交叉编译环境中编写引导程序U-boot，同时安装设备树工具DTC，将dts设备树源文件编译成DTB，用于在程序之间交换数据；

(3)在交叉编译环境中配置和构建Linux内核；

在内核配置make menuconfig时，从Kconfig中读出菜单，用户选择后保存到.config的内核配置文件中，在内核编译时，主Makefile调用这个.config，就完成了内核的配置和构建；

修改内核源码，添加多任务处理机制，所述多任务处理机制采用任务按优先级可抢占与同优先级时间片轮转调度结合的方式实现，以保证调度的高效性和任务处理的实时性；

(4)在交叉编译环境中制作根文件系统；

(5)生成uImage镜像；

(6)步骤(1)-(5)完成后，使用loadb/loadx指令将uImage镜像加载到内存中，之后，bootm指令解析uImage镜像文件，获得入口地址，设置启动参数和MMU，从Linux入口点引导进入Linux内核，实现面向嵌入式SPARC处理器的操作系统多任务处理。

交叉编译工具链包括binutils、gcc和glibc三个部分。

U-boot是在操作系统起始的时候运行的一段程序，其中包括硬件设备的初试化、内存空间的映射图建立，为调用内核准备好正确的环境。

文件系统由文件管理软件、数据结构和被管理的数据这三部分组成，用户对系统进行的数据存取、修改操作都是通过文件系统进行的。

多任务处理机制中，将任务按照优先级划分队列，每个队列对应一个优先级，优先级高的队列先执行，优先级相同的队列里，各任务采取时间片轮转算法执行。

多任务处理机制中，采用优先级继承和优先级置顶机制进行任务间通信，确保最坏情况下任务等待调度的时间可控；

优先级继承是指拥有互斥信号量的任务被提升到与下一个在等待该互斥信号量的最高优先级任务相同的优先级，减少优先级翻转的风险；

优先级置顶是指将获得互斥信号量的任务优先级提升到一个事先规定好的值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明通过U-boot、内核和根文件系统这三大主要模块，构建基于SPARC处理器的嵌入式Linux操作系统，系统可移植性强，满足通用性的要求，能够经过少量配置后移植到相同体系结构的其他处理器使用。在此基础上，引入多任务处理机制，实现了面向多任务实时处理的操作系统。

2、本发明采取多任务处理机制使得任务调度和资源分配更加合理，能够正确有序访问多任务资源，保证任务的执行顺序，资源利用率较高，多任务处理机制提高了SPARC处理器开发效率和应用程序的运行效率，保证系统对多个外部设备的及时响应，从而保障嵌入式系统的稳定运行。

3、本发明采取多任务处理机制作为一种多任务、并发的工作方式，能实现多任务多设备实时处理，通过采用优先级继承和优先级置顶的通信机制保持任务间同步，确保最坏情况下任务等待调度的时间可控。

附图说明

图1是本发明多任务处理操作系统整体架构示意图；

图2是本发明任务状态转换图示意图；

图3是本发明多任务系统的实现流程图；

图4是任务管理机制图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法，它的整体架构分为应用层、控制层、系统层和驱动层。嵌入式SPARC处理器Linux操作系统的实现是将嵌入式Linux操作系统移植到SPARC处理器硬件开发板上，同时操作系统驱动层包含底层硬件驱动，针对应用层多任务请求，控制层采取多任务处理机制负责任务的分配和执行，改进多任务同步与通信的方式，进而实现外部多个设备的实时工作。

在本发明中，首先搭建的是嵌入式操作系统环境，先使用sparc-linux-gcc在PC机上建立交叉编译环境，在交叉编译环境中编写U-boot、编译Linux内核、制作根文件系统，编写底层硬件驱动，然后移植到SPARC处理器平台，完成Linux嵌入式系统的搭建，最后在控制层引入多任务处理机制进行任务的调度和执行。

具体地，本发明的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,包括如下步骤:

(1)利用SPARC在Linux平台上的交叉编译工具链，使用sparc-linux-gcc在PC机上建立交叉编译环境，设置环境变量；交叉编译工具链包括binutils(主要包括汇编程序as和链接程序ld)、gcc(为GNU系统提供的C编译器)和glibc三个部分。

(2)在交叉编译环境中编写引导程序U-boot，编译设备树工具DTC；

U-boot是在操作系统起始的时候运行的一段程序，其中包括硬件设备的初试化、内存空间的映射图建立，为调用内核准备好正确的环境。使用它的目的是保证引导程序和硬件初始化时更加安全可靠，并对硬件进行解析，加快移植的效率。设备树的工具DTC实现dts(devicetree source)设备树源文件编译成DTB(Devicetree Blob)，用于在程序之间交换数据，u-boot通过解析DTB来获得固件的一些初始化信息，同时u-boot将DTB的入口地址传递给Linux的Kernel，从而将固件的信息传递给内核，使内核获得相应外设的设备信息，为驱动的编写提供便利。

(3)配置和构建Linux内核；

Linux能够实现多任务、虚拟内存、TCP/IP驱动程序、共享库和多用户支撑等功能。Linux内核中包含了支持不同处理器架构的目录，使得Linux支持不同的硬件平台成为可能。

配置Linux内核使用的是Konfig机制，内核源码树的目录下都有两个文件Kconfig和Makefile。分布到各目录的Kconfig构成了一个分布式的内核配置数据库，每个Kconfig分别描述了所属目录源文件相关的内核配置菜单，菜单界面中能够看到和系统配置相关的选项，包括：General setup(通用设置)、System Type(系统类型)、Bus support(总线支持)、Kernel Feature(内核特性)、Device Drivers(设备驱动)、File systems(文件系统)。在内核配置make menuconfig时，从Kconfig中读出菜单，用户选择后保存到.config的内核配置文件中。在内核编译时，主Makefile调用这个.config，就完成了内核的定制操作。修改内核源码，添加多任务处理机制，所述多任务处理机制采用任务按优先级可抢占与同优先级时间片轮转调度结合的方式实现，以保证调度的高效性和任务处理的实时性；

(4)制作根文件系统；

文件系统是指嵌入式系统中实现文件存取、管理等功能的模块，提供一系列文件输入输出等文件管理功能，为嵌入式系统和设备提供文件系统支持的系统。文件系统主要由文件管理软件、数据结构和被管理的数据这三部分组成，用户对系统进行的数据存取、修改等操作都是通过文件系统进行的。

(5)生成uImage镜像；

uImage镜像是在zImage的基础上增加0x40字节信息，这些信息包括镜像头的幻数、CRC校验、镜像的制作时间、大小、Load地址、入口地址、os类型、CPU架构信息、压缩类型以及镜像名称，u-boot在启动linux时，根据这些信息做必要的检查。

(6)步骤(1)-(5)完成后，使用loadb/loadx指令等将uImage加载到内存中之后，紧跟loadb/loadx指令的地址是uImage镜像文件在内存中的首地址，之后，bootm指令根据该地址来解析uImage镜像文件。bootm指令在boot uImage的过程中，首先对uImage进行合法性检查，确定加载地址，解压linux内核之后，获得入口地址，设置启动参数，设置MMU，CPU开启虚地址，从Linux入口点引导进入Linux内核。，实现面向嵌入式SPARC处理器的操作系统多任务处理。

实时应用程序设计的关键就是确定如何把问题分割成多个任务，以及如何确定多任务之间的通讯方式并确定每一任务的优先级大小。如图2所示，任务的状态方式有五种:休眠态、运行态、就绪态、挂起态和中断态，每个任务都处在其中的一种状态。多任务并发执行的前提是运行于多任务操作系统中，通过抢占SPARC处理器的使用权在不同的任务间进行转换和调度，而SPARC处理器是唯一的，也就是说SPARC处理器不可能实现并行多任务而只能够实现并发的多任务。哪个任务先抢占到SPARC处理器的使用权，哪个任务就优先执行。

如图3所示，多任务系统的实现重点在于多任务调度器上，采取多任务处理机制来决定当前需要执行的任务，合理分配共享资源和运行时间，完成不同任务寄存器中的内容信息互换。本发明多任务处理机制主要采用多级队列调度算法和时间片轮转算法相结合的方式，采用任务按优先级可抢占、同优先级时间片轮转调度的方式进行多任务处理。按进程的特性和对任务的优先程度划分入队列，每个队列都有自己的优先级。本发明操作系统优先级共有32个优先级(0-31)，最高优先级为0，最低优先级为31。在队列内采取任务按优先级可抢占的策略，当优先级较高的队列内已没有进程时，才开始执行低一级的队列。如果低优先级队列的任务运行时出现了更高优先级的任务，则在下次任务切换时必须无条件切换回该优先级队列的任务。基于优先级的抢占式调度算法，保证了高优先级的进程在得到系统资源获得CPU使用权上比低优先级的进程有更好的优先权。

当队列优先级相等时，采取时间片轮转算法，所有进程时间片轮转的方式获取CPU的使用权，解决任务等待调度时间不可控的问题。时间片轮转算法的效率很大程度上依赖时间片的划分，时间片的长度与Linux时间片长度保持一致，当然切换动作本身也有消耗，大概平均消耗时间在0.01ms左右。一般来讲，任务的切换速度很快，用户根本观察不到切换中的暂停状态，这样看起来各个任务相互之间好像没有影响，每个任务都可以在一定时间内顺利的完成执行操作，当然这种结果的实现与编译器、处理器等一些硬件的性能是密切相关的。

采用时间片轮转这种方式可以有效地防止输入输出设备的进程被应用程序抢占，极大地提高用户体验，使系统具有良好平衡性和实时性，同时保障了系统的稳定运行。对于高实时性要求的系统，将以上两种任务调度的协调配合很好地实现在系统中，系统的实时性便能得到保证。

如图4所示，当出现任务-01、任务-02、任务-03和任务-04同时来请求处理时，由于任务-04优先等级最高，所以优先执行任务-04，其次再执行任务-03，对于优先级别相等的任务-01和任务-02，采取时间片轮转算法根据时间片的长度轮询占用SPARC处理器资源，以防止同优先级的某一任务长时间独占CPU。

任务切换的步骤如下所示：

(1)首先判定需要调度的任务是不是当前正执行的任务，如果是就继续执行，如果不是才切换，这样能够保证CPU的时效性，减少时间浪费；

(2)然后比较任务优先级高低，将优先级低的任务挂起，把被挂起的任务寄存器压入堆栈；

(3)接着将当前堆栈的指针保存在即将挂起的任务控制块中；

(4)同时从堆栈中恢复高优先级任务的CPU寄存器；

(5)最后如果一旦检测到同优先级的任务时间片长度超过轮询设置时间后，即会切换。

在多任务系统中，任务作为独立的个体，拥有自己独立的数据内容。一般情况下，系统的正常运行需要各个任务间彼此交换其特有的数据内容以及其当前的任务状态信息，即任务间通信。现有多任务系统中任务同步与通信的方式，一般通过信号量、互斥信号量、事件标志或异步信号来实现同步，通过消息邮箱、消息队列、管道和共享内存来提供通信服务。由于互斥信号量的使用，带来了实时操作系统中常见的优先级反转问题。优先级反转是一种不确定的延迟形式，当高优先级任务企图访问已被低优先级占有的共享资源时，必须等待低优先级任务释放共享资源；如果这时低优先级任务被一个或多个中优先级任务抢占，那么高优先级任务被延迟的时间将更进一步延长，实时性难以保证，更有引发系统崩溃的风险。本发明采用优先级继承和优先级置顶机制。优先级继承是指拥有互斥信号量的任务被提升到与下一个在等待该互斥信号量的最高优先级任务相同的优先级；优先级置顶是指获得互斥信号量的任务将其优先级提升到一个事先规定好的值。通过上述通信机制统一任务交互手段，同时确保最坏情况下任务等待调度的时间可控。

本发明利用多任务处理机制实现了多个任务对设备实时而有序处理，满足了嵌入式操作系统软件的高可实时性要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于包括如下步骤:

(1)利用SPARC在Linux平台上的交叉编译工具链，使用sparc-linux-gcc在PC机上建立交叉编译环境，设置环境变量；

(2)在交叉编译环境中编写引导程序U-boot，同时安装设备树工具DTC，将dts设备树源文件编译成DTB，用于在程序之间交换数据；

(3)在交叉编译环境中配置和构建Linux内核；

在内核配置make menuconfig时，从Kconfig中读出菜单，用户选择后保存到.config的内核配置文件中，在内核编译时，主Makefile调用这个.config，就完成了内核的配置和构建；

修改内核源码，添加多任务处理机制，所述多任务处理机制采用任务按优先级可抢占与同优先级时间片轮转调度结合的方式实现，以保证调度的高效性和任务处理的实时性；

(4)在交叉编译环境中制作根文件系统；

(5)生成uImage镜像；

(6)步骤(1)-(5)完成后，使用loadb/loadx指令将uImage镜像加载到内存中，之后，bootm指令解析uImage镜像文件，获得入口地址，设置启动参数和MMU，从Linux入口点引导进入Linux内核，实现面向嵌入式SPARC处理器的操作系统多任务处理。

2.根据权利要求1所述的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于：交叉编译工具链包括binutils、gcc和glibc三个部分。

3.根据权利要求1所述的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于：U-boot是在操作系统起始的时候运行的一段程序，其中包括硬件设备的初试化、内存空间的映射图建立，为调用内核准备好正确的环境。

4.根据权利要求1所述的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于：文件系统由文件管理软件、数据结构和被管理的数据这三部分组成，用户对系统进行的数据存取、修改操作都是通过文件系统进行的。

5.根据权利要求1所述的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于：多任务处理机制中，将任务按照优先级划分队列，每个队列对应一个优先级，优先级高的队列先执行，优先级相同的队列里，各任务采取时间片轮转算法执行。

6.根据权利要求5所述的一种面向多任务处理的嵌入式SPARC处理器操作系统设计方法,其特征在于：多任务处理机制中，采用优先级继承和优先级置顶机制进行任务间通信，确保最坏情况下任务等待调度的时间可控；

优先级继承是指拥有互斥信号量的任务被提升到与下一个在等待该互斥信号量的最高优先级任务相同的优先级，减少优先级翻转的风险；

优先级置顶是指将获得互斥信号量的任务优先级提升到一个事先规定好的值。

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