基于Linux的臺(tái)式儀器操作系統(tǒng)的研究.pdf

1、目前臺(tái)式儀器采用的操作系統(tǒng)主要有兩類：桌面計(jì)算機(jī)使用的操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)。桌面使用的操作系統(tǒng)主要以Windows系列為主；嵌入操作系統(tǒng)主要以商業(yè)嵌入操作系統(tǒng)為主。目前，國(guó)外生產(chǎn)的一些高端測(cè)試儀器產(chǎn)品采用Windows為操作系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品還主要以DOS為操作系統(tǒng)，現(xiàn)在正在研發(fā)的產(chǎn)品采用了一些商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，例如Vxworks，WindowCE等，它們都有較高的許可證使用費(fèi)用，極大地增加了產(chǎn)品的成本。Linu

2、x作為操作系統(tǒng)的后起之秀，以其開(kāi)放源代碼、免費(fèi)、支持多種硬件平臺(tái)、模塊化設(shè)計(jì)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到開(kāi)發(fā)者的重視，已被廣泛地使用在嵌入式系統(tǒng)中，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。 本文針對(duì)臺(tái)式儀器的特點(diǎn)，對(duì)Linux作為儀器操作系統(tǒng)的主要方面進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的解決方案，主要內(nèi)容有：Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的裁減、內(nèi)核實(shí)時(shí)性的增強(qiáng)、虛擬調(diào)度系統(tǒng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)、有限優(yōu)先級(jí)條件下可調(diào)度性分析、可控內(nèi)核審計(jì)的實(shí)現(xiàn)、Linux在AVl486信

3、號(hào)發(fā)生器和CDMA基帶信號(hào)發(fā)生器上的實(shí)現(xiàn)等等。研究成果包括： (1)研究了Linux內(nèi)核和在Linux上運(yùn)行的根文件系統(tǒng)的裁減方法。儀器系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間是有限的，且硬件配置也是相對(duì)固定的。根據(jù)這些特點(diǎn)，在編譯配置的基礎(chǔ)上，提出了細(xì)粒度的定制方法。采取粗粒度和細(xì)粒度相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的定制。介紹了根文件系統(tǒng)定制的方法，給出了它們的配置方法和過(guò)程，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。 (2)研究了增強(qiáng)Linux實(shí)時(shí)性的方法。儀器的測(cè)試

4、程序具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，本文分析了Linux在實(shí)時(shí)方面的不足，提出了增強(qiáng)Linux實(shí)時(shí)性的方案，主要在時(shí)鐘粒度、內(nèi)核可剝奪性和優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等方面進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘粒度的細(xì)化，通過(guò)雙內(nèi)核和在原內(nèi)核中增加搶占點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了具有可剝奪性的新內(nèi)核，通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，避免了優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效地增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性，拓寬了內(nèi)核的適用范圍，可以滿足儀器的需要。 (3)提出了基于Linux的一種新的調(diào)度機(jī)制：虛

5、擬調(diào)度系統(tǒng)。為了使Linux更好地滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，近年來(lái)人們提出了各種調(diào)度機(jī)制改造方案，但是這些方案不能實(shí)現(xiàn)由用戶來(lái)選擇調(diào)度算法和多算法集成，不能給用戶提供統(tǒng)一的用戶使用界面。本文提出了一種基于Linux的新的調(diào)度機(jī)制：虛擬調(diào)度系統(tǒng)。它能夠給用戶提供統(tǒng)一的使用界面，能夠支持所有提出的調(diào)度算法，能夠隱含實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使用戶更方便的使用各種調(diào)度算法，能夠同時(shí)支持單層和雙層調(diào)度。描述了實(shí)現(xiàn)過(guò)程，給出了在Linux下與實(shí)現(xiàn)過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

6、和函數(shù)，對(duì)調(diào)度機(jī)制的復(fù)雜性進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 (4)推出了基于有限優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度的判定條件。實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)時(shí)調(diào)度在理論分析時(shí)，都假設(shè)系統(tǒng)能夠識(shí)別任意多的優(yōu)先級(jí)，在實(shí)際的操作系統(tǒng)中，僅能使用有限的優(yōu)先級(jí)數(shù)量?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出了在靜態(tài)調(diào)度條件下使用有限優(yōu)先級(jí)數(shù)量的判定方法，本文推出了在動(dòng)態(tài)調(diào)度條件下使用有限優(yōu)先級(jí)數(shù)量的判定方法，給出了一個(gè)任務(wù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度所需的最小優(yōu)先級(jí)的數(shù)量的判斷條件，并對(duì)算法的

7、復(fù)雜性進(jìn)行了分析，提出了任務(wù)分組的算法。 (5)針對(duì)儀器系統(tǒng)的特殊性，提出了基于Linux操作系統(tǒng)的可控內(nèi)核審計(jì)機(jī)制，給出了實(shí)現(xiàn)過(guò)程。Linux系統(tǒng)現(xiàn)行的審計(jì)機(jī)制是應(yīng)用級(jí)審計(jì)，不能滿足操作系統(tǒng)的安全要求，為此許多文獻(xiàn)提出了Linux內(nèi)核級(jí)的審計(jì)，增強(qiáng)了Linux的審計(jì)能力。但是在審計(jì)能力增加的同時(shí)，審計(jì)容量和程序運(yùn)行時(shí)間增加。根據(jù)儀器系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了可控內(nèi)核審計(jì)的機(jī)制。內(nèi)核級(jí)審計(jì)能夠被應(yīng)用程序控制，這樣在實(shí)現(xiàn)安全性提高的同