CN1869922A - 嵌入式实时操作系统资源管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于信息电器场合实现信息资源管理的系统装置，特别是一种借助计算机完成信息资源管理与分配的嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置，由电子计算机主机构成，包括内核主机、内存管理器、文件管理器、设备管理器、网络通信单元和应用模块单元，各单元和管理器之间以消息方式调用系统函数，用于信息家电定制嵌入式操作系统中，对信息资源进行管理和分配；先对任务初始化确定任务性质，再根据定制任务或非定制任务分别进行相应的管理处理和分配处理，并进行调度运行。本发明设计思路新颖，实现路线正确，可以在广泛的硬件条件下实现对信息资源区别进行管理和处理，用于各种家用电信场合，可以实现信息化控制。

Description

嵌入式实时操作系统资源管理装置

技术领域：

本发明涉及一种应用于信息电器的实现系统资源管理的系统装置，特别是一种借助计算机操作系统内核主机完成系统资源分配与管理的嵌入式实时操作系统资源管理装置

技术背景：

目前国际上较成熟的嵌入式实时操作系统产品已有若干种。但是，这些专用操作系统大多为商业化产品，其共性之一是价格昂贵，且由于其各自的源代码不公开，影响了其兼容性和开放性。这种封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种特定应用的支持这一重要性能方面存在很大的问题，针对特定应用的要求对其功能的修改难以进行，由此导致了功能的不完善、系统资源分配的效率低下、系统资源的过度闲置等问题。现行操作系统中应用最为广泛的嵌入式操作系统包括以下几个：

Windows CE：一种为有限资源的平台设计的多线程，静态优先级，多任务的操作系统。但其系统基本内核至少200K，需要较大的内存空间，对嵌入式系统硬件要求较高。

VxWorks：一种支持多种处理器的实时操作系统装置，但该类系统装置没有采用模块化设计，系统内核主机不能进行动态加载运行。嵌入式Linux操作系统装置因其所具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬件组成支持广泛等特点，结合其所独具的免费、开放源代码等特征，成为备受关注的系统之一，但其本身只解决了操作系统中最关键的内核部分，对特定应用的指向性等若干技术问题仍有待解决。其中应用最为广泛的嵌入式Linux操作系统主要包括uCLinux和RT-Linux两个。

uCLinux是一种专门为NOMMU微处理器设计的嵌入式操作系统，在继承了Linux内核结构的基础上进行了裁减。但采用单内核结构，并且实时性差。RT-Linux是一种嵌入式实时操作系统，采用微内核设计。但其实时任务采用静态优先级，并且系统中断响应时间片也是固定的，在一定程度上影响了系统的实时性。

这些现行的操作系统在系统资源分配方面，都存在一个共同的问题：系统资源分配根据要求使用资源的进程的情况，需要操作系统付出大量的计算处理来确定资源分配方案，制约了操作系统整体效率的提高。

发明内容：

本发明的目的是针对现行嵌入式实时操作系统存在的问题以及信息家电基于操作系统运行的任务相对固定的一类信息电器的特点，设计出一种应用于信息家电的嵌入式实时操作系统的系统资源管理装置。通过本系统资源管理装置，可以对给定的进程预制系统资源分配方案——预先设置系统任务(进程)的类型、优先级、任务所需的内存空间、主机时间片、设备及时钟中断等系统资源，通过降低系统的资源分配处理时间和进程的资源等待排队时间，有效地提高系统的整体效率和操作系统的实时性。

本发明装置由一台电子计算机主机构成，主要包括一个内核主机，一个内存管理器，一个文件管理器，一个设备管理器，一个网络通信单元和一个应用模块单元，其各个单元和管理器之间以消息方式调用系统函数；其中内核主机由进程调度单元、内存管理单元、进程间通信单元和时间片管理单元组成，承担系统资源管理的进程调度与通信、资源管理、分配与回收等处理任务；内核主机中也可以包括一个时钟定时器，完成时钟功能。

本装置的工作原理：先在系统初始设置时，建立频繁任务(非定制任务)列表，并为每个频繁任务预制系统资源分配方案，所谓频繁任务是指对系统资源需求相对稳定的、反复发生的应用任务；再对所有任务，在其进入系统时，根据任务性质进行任务分类——定制任务(非频繁任务)和非定制任务(频繁任务)；然后对于进程的每一个系统资源使用申请，首先判断申请进程所属的任务类型，当认为是非定制任务时，根据其预制的分配方案，由内核主机的相应单元实际赋予预定的优先级、内存空间、主机时间片、设备等系统资源，从而实现对非定制任务的直接资源分配；当认为是属于定制任务的进程时，则需先进行资源分配进行计算处理，制定分配方案，然后按分配方案实施分配，从而实现对定制任务所需系统资源的管理和分配。

本发明的有效性：嵌入式实时操作系统导入系统资源管理装置后可极大地提高系统工作效率。在面向信息家电类的应用中，大部分任务对于嵌入式实时操作系统来说，其运行所需资源是相对固定的，在系统初始化阶段就可以确定下来，因此可以容易地把系统中的任务划分为定制任务和非定制任务两大类。对于非定制任务，需要在操作系统装置的构建阶段，根据其功能内容预先确定其类型，对每种类型任务赋予不同的优先级和不同大小的内存空间，并且根据任务的不同类型，设置系统的时钟定时器，从而改变主机时间片，把时间片的大小设置为该任务运行一次所获得CPU时间的大小。对于定制任务，则随着任务的产生，按照系统设计动态分配优先级和内存空间等系统资源；不修改系统的时钟定时器，系统时间片采用默认值，由内核的进程调度单元在已获得资源的定制进程间根据相应的优先级进行时间片的分配。系统资源管理装置的导入，节省了对频繁任务资源申请的系统资源分配方案制定时间，减少了其进程的资源等待排队时间，能够有效地提高系统的整体效率和操作系统的实时性。

本发明的工作流程：嵌入式实时操作系统的引导和初始化是系统实现控制的必要准备。首先，嵌入式操作系统中的cpu自行初始化，并执行自测试。接下来，cpu从一个特定地址单元中取得指令并执行，该指令调用操作系统装载功能，负责把操作系统内核装载到系统内存中，当内核装载过程完成后，内核主机开始工作，启动系统资源管理装置。

本发明与进程管理相关的参数(数据结构)是随着系统初始化的时候被初始设置的。系统在初始化的时候将进行该初始设置的进程加到进程列表中去，启动进程管理机制。

Init()是内核主机运行的第一个进程，是系统中所有进程的祖先，它要负责触发其它必需的进程以使系统装置作为一个整体进入可用的状态。Init()进程以外的任一个进程都是通过已有进程调用进程创建函数建立的，新的进程是原来进程的子进程，原来进程是新进程的父进程。创建一个新进程，就是将新进程的进程控制块加入到进程表中。一个进程结束后将其清除的工作首先应由其父进程完成；如果父进程也已经退出，那么祖父进程就要担负起这种责任；如果祖父进程也已经退出，那么曾祖父进程就要担负起这种责任，周而复始。通过这种方式，永驻系统的Init()就可能要负责回收其它进程。创建进程时首先根据用户操作判断进程类型，如果是定制类型任务，则根据任务类型通过Init()调用进程创建函数产生新进程，创建进程的基本任务是为新进程构造进程的进程控制块，并且为进程的程序、数据段和运行的初始栈分配内存空间。

在内存分配过程中可以将内存需求划分为多种，对每一种需求建立一个响应的内存空闲块队列，相应的程序申请内存时到相应的队列去申请，回收时将内存块放到相应的队列里。这样的分配回收速度显而易见是很快的，并且，由于是有针对性的预先建立的队列，所以空间浪费相对减少很多。因为不可能预测到实际运行中所有的内存申请，并且考虑到如果所有的内存申请都可以从预先建立的空闲内存块列表中获得的话，必须对每一种内存需求大小建立一个足够大的空闲块队列，这意味着很大的内存需求。所以，将内存分为两部分来管理，一部分为动态分配空间，用针对定制任务进行动态分配；另一部分则是预制空间，用来建立针对频繁任务的空闲队列。后一部分的内存块的分配回收简单，每一内存块大小一经确定，此后只要动态分配空间内存块资源未全部分配完毕，便不需要分割当然也不需要合并，所以这部分内存的分配回收是非常快的，这部分内存称为不可分割内存。对于频繁任务的内存分配首先从不可分割内存进行，当请求不能满足时再尝试内存的另外一部分，即可分割内存，当一个申请在该部分找到一个足够大的内存块时，依据一定的条件将大的内存块分割成两部分，一部分自己使用，另外一部分放入相应的空闲队列，内存回收时，要对内存块进行判别看是否需要合并。进程内存分配完后，调用系统定时功能设置函数，该函数要做以下工作：

关中断；

读取进程控制块中关于给定任务的执行时间的变量值；

判断该变量值是否大等于系统默认的时间计数变量，若不是，跳转到相应步骤，若是，则把系统时间变量设置为该变量值；

根据重新设定的时间计数变量，调用系统时钟修改函数，修改系统时间片；

开中断，返回。

当新产生的进程得到全部所需资源后，把其设置为就绪态，等待进程调度。由于本资源管理装置并不是在任何时刻都发生时钟中断，而是仅当某个任务完成后要进行任务调度时才发生时钟中断，因此本资源管理装置采用的进程调度算法在发生任务调度时，首先检测系统的就绪任务队列，找出下一个将要获得CPU的任务，从其任务控制块中得到该任务的截止时间，即该任务释放CPU的时间。然后通过对时钟定时功能器编程，改变系统的时间片，使系统的时间片等于该任务的截止时间。这样当该任务完成时，恰好发生时钟中断，进行新的任务调度。

本发明装置主要在处理器预留资源、时钟粒度的细化、调度效率的提高等几个方面进行了设计与实现。通过实验和试点应用证明，在调度精度的提高、进程运行的控制以及中断事件的及时响应等实时性能方面获得了良好效果，达到了预期的目标。

附图说明：

图1为本发明装置结构组成原理示意图。

图2为本发明装置实现信息资源管理之流程原理示意图。

具体实施方案：

下面结合附图对本装置的结构组成和运行规则，以及在信息家电中的应用实现过程和功能作进一步说明。

本发明装置由一台电子计算机主机构成，主要包括内核主机1、内存管理器2、文件管理器3、设备管理器4、网络通信单元5和应用模块单元6，其各个单元和管理器之间以消息方式调用系统函数，其中内核主机1由进程调度单元、内存管理单元、进程间通信单元和系统时间片管理单元组合规化为一体结构组成，运行于信息家电的定制嵌入式操作系统中，对各种信息资源进行管理。通过对信息资源的任务初始化7，确定任务的性质8，当认为是定制任务时，判断任务类型9，根据任务类型赋予不同的优先级10，分配不同大小的内存块11，设置系统时间片12，进行调度13，从而实现对定制任务的管理和分配；当认为是非定制任务时，赋予默认的优先级14，分配默认大小内存块15，进行调度13，从而实现对非定制任务的管理和分配。

本发明可以对模拟电视机接收数字电视节目和广播与交互式多媒体终端设备的信息资源进行管理，完成视频点播、数字电视接收、IP网络电话通讯和Internet网络的综合业务的信息资源管理。

实施例：本发明用于有线电视数字机顶盒可用有线电视网络资源，完成视频点播、数字电视接收、IP网络电话及接入Internet等综合业务功能。

首先对数字机顶盒进行了需求分析，即通过数字机顶盒向家庭用户同时提供互联网接入、数字电视及IP电话业务，并可开展丰富的增值业务。根据业务需求及接口方式，新型数字机顶盒的硬件体系结构采用了模块化的设计，主要包括外部以太网接口模块、内部以太网接口模块、模拟用户线路接口模块、音视频解码模块和中心管理模块。外部以太网接口模块提供与外网之间的以太网接口，内部以太网模块提供与户内电脑的以太网接口，模拟用户线路接口提供两路模拟电话机的接口；音视频解码模块提供一路数字电视的解码输出及其相关交互功能；管理模块则负责各业务流的协议及接口转换。首先，外部以太网接口接收外网路由器或交换机转发的数据帧，将其解封装，转交给网络处理器按3种业务进行分流；音视频解码处理模块接收主控制芯片分流后的TS数据流，进行MPEG-2解码后，输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟电视信号；内部以太网接口接收IP数据包，封装成MAC数据帧送往电脑终端；IP电话处理模块通过CODEC编解码芯片完成数字信号和模拟话音的转换后送往模拟话机。

在设计方案中，中心管理模块完成了IP电话(语音业务)，家庭上网(综合数据业务)和数字电视(视频处理业务)3种业务的网关功能。选择三星公司生产的ARM7系列的S3C4510B作为其内核主机芯片，S3C4510B的系统时钟频率达到50MHz，8kB的Cache/SRAM，4MB的Flash用于存放系统引导代码、嵌入式操作系统和应用软件。在设计的管理模块中，S3C4510B通过系统总线与一片FPGA芯片XC2S30相连。XC2S30与双通道VoSLAC芯片Le78D11相连，Le78D11与双通道VoSLAC芯片Le77D11相连扩展出两个模拟用户线RJ11接口，用于连接两路模拟电话机。

数字机顶盒的主要软件工作集中在以S3C4510B为核心的中心管理模块，其软硬件体系结构可以分为4层，从底层向上分别为：硬件平台、底层软件、中间件和应用软件层。底层软件包括本嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置和驱动程序。

当用户开启数字机顶盒的电源后，操作系统调用操作系统引导程序，负责启动操作系统内核以及初始化包括SDRAM在内的系统资源。这部分代码用来建立起系统运行环境。然后，资源管理器的入口是内核启动函数，它用来初始化其他部分内核，包括中断、IRQ通道、设备驱动等，最重要的是它可以派生出一个初始化进程来启动多任务运行环境。

在本系统装置中预先定制下列几种任务类型：接收电视信号、AV解码输出、接收遥控器信号、接入网络、接入IP电话等，其余用户操作作为非定制任务。

限于篇幅和实验条件，我们只举例介绍一下在本系统装置接收电视信号的过程。当图像处理器扫描到电视信号后，产生一个系统调用，操作系统接收该调用后，调用进程创建函数，产生一个新进程，首先判断任务类型，当检测到是定制任务后，给进程分配预先设置的进程控制块和固定大小的内存块，然后调用系统时钟设置函数，重新设置系统时间片，最后把任务状态设置为就绪态，等待进程调度程序调度。

Claims (4)

1、一种嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置，由电子计算机主机构成，其特征在于包括一个内核主机，一个内存管理器，一个文件管理器，一个设备管理器，一个网络通信单元和一个应用模块单元，各单元和管理器之间以消息方式调用系统函数，应用于信息家电的定制嵌入式操作系统中，对信息资源进行管理。

2、根据权利要求1所述的嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置，其特征在于内核主机由进程调度单元、内存管理单元、进程间通信单元和系统时间片管理单元组合规化为一体结构组成。

3、根据权利要求1所述的嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置，其特征在于通过对信息资源的任务初始化，确定任务的性质，当认为是定制任务时，判断任务类型，根据任务类型赋予不同的优先级，分配不同大小的内存块，设置系统时间片，进行调度的设备系统运行，实现对定制任务的管理和分配；当认为是非定制任务时，赋予默认的优先级，分配默认大小内存块，进行调度，实现对非定制任务的管理和分配。

4、根据权利要求1所述的嵌入式可配置实时操作系统资源管理装置，其特征在于对模拟电视机接收数字电视节目和广播与交互式多媒体终端设备进行信息资源管理，完成视频点播、数字电视接收、IP网络电话通讯和Internet网络的综合业务信息资源管理和分配。