现代操作系统的实时性研究—基于linux的路由器rtos实现

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1、东北大学硕士学位论文第一章1．1课题背景第一章引言当今社会，信息技术正在不断地改变着人们的生活甚至生存方式。随着互联网络应用的极大丰富和网络流量的爆炸式增长，整个通信与计算机网络正在向着高速化、宽带化、集成化和智能化的方向发展。作为互联网络的核心，路由交换设备将在全球信息基础设施中发挥越来越重要的作用；而路由器本身的设计以及功能也在迅速变化。如图1．1所示，在IP网络分层体系结构中，传统的路由设各主要完成最低三层的处理：即物理层的收发比特流，数据链路层的拆包与组帧，以及网络层的选路和转发。图1．1：路由器在TCP／IP中的

2、位置Figure1．1：RouterintheTCP／1Partwork但是，由于网络协议的纷繁复杂、网络应用的不断增多以及网络流量的快速增长，路由器系统功能也在迅速扩展，其体系结构从早期的单总线、单CPU结构发展到单总线、多CPU再到多总线多CPU，到现在的高速IP路由器采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无阻塞互连。此外，随着网络视频、音频等各种多媒体服务逐渐作为增值功能出现在传统的路由节点中，路由器系统对实时响应能力的要求不断增加。新的体系结构和应用对路由器中的操作系统平台提出了新的要求，比如说对称多处理器支持、分布

3、式计算能力、系统冗余与容错以及实时响应与调度等。可以说，传统的通用系统比如I肌x等根本难以适应这些新的发展要求。在路由操作系统的选型上，众多设备厂商都青睐于专用商业RTOS(RealTimeOperatingsystem)。但是，使用商业系统往往必须支付高昂的购买费用和许可证费用，并且很难得到其系统的核心源代码。尤其地，在网络安全领域，没有核心源代码将会使我们的产品研发处于极其被动的地位。基于以上思考，我们以路由器操作平台研发为契机，在开放源代码的Linux通用操作系统基础上，对Linux的实时化改造进行了深入的研究；本文

4、将具体围绕嵌入式实时系统这一中心，重点讨论我们的研究工作成果。但是，我们的研究并没有局限于路由器应用，我们的设计目的是最终提供一个适用于各种实时计算领域的高性能RTOS，包括自动控制、通信、多媒体、实时仿第1页东北大学硕士学位论文第一丰真等等。———————_'______________--_-_●______●_______-________-______-___-________-______一1．2实时处理模型图1．2：用户空间与内核空间处理Figure1．2：KernelSpaceandUserSpaceProc

5、essing下面我们将以具有VolP功能的SOHO路由网关为例，来介绍基于Linux系统的实时应用。如图1．2所示，在Linux内核空间有一个设备驱动，其中实现了一个中断处理例程(硬件VolP编解码处理芯片在收到数据时将触发接收中断)，最终，处于用户空间的VolP应用进程将从内核空间蔌取数据，进行进一步的协议处理，并相应地将数据提交给内核从路由网关的其他端口发送出去。图1．3显示了VolP应用的协议栈结构，从中可以看出，对于处于用户空间的信令处理和数据编解码过程，如果不能得到很好的执行期限保证，系统的服务质量将是难以保证的

6、。图1．3：H．323协议结构及其与TCP／1P模型的对于关系Figure1．3：H．323ProtocolStacksPrototypeinTCPfIP下面我们将以一个实时事件的具体执行来讨论Linux中的任务执行延时问题。如图1．4所示，我们用时间线来表示一个典型实时事件的处理过程。在图中，我们将任务的执行从中断产生到最终处理完毕分为了四个部分，整个过程存在五个里程碑似的转换时机：◇产生中断：设备收到数据产生接收中断；第2页东北大学硕士学位论又第一章◇中断例程开始执行：设各中断对应的中断处理函数开始运行；◇任务加入运行

7、队列：用户空间的处理进程得到唤醒并加入运行队列：◇任务开始执行：实时任务得到cPU处理时间开始真正运行；◇任务执行完毕：屉终，实时任务处理完所获取的数据。A：关中断B：粗劣设计的设鲁驱动C：粗劣设计的内校模块D：产生硬件中断E：等待总线F：没有命中高速缓存0：下半韶分运行H：内桂不可抢占l：优先级倒置J：高优先级任务无法被调度运行K：对硅盘操作的批处理请求L：磁盘操作不支持DM^方式A．B，C，D，E．FB．DD，F．G．H，1’J．KL1．2．1中断等待延时图J．4：一个典型实时任务的时间线Figurel．4：TheTi

8、melineofaTypicalReal—TimeTask中断等待延时是上述时间线的第一段，一般来说该段时间是很短的。通常，在一台Intelx86体系结构的CPU上其值大概为15微秒。而影响该值的因素如图示主要有以下两个大的方面：◇内核中断关闭状态：在内核里，为了实现对某些共享资源的互斥访问，必须保证中