【正文】 支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)研究 分類號(hào)： 密級(jí)： ＵＤＣ： 編號(hào)： 工學(xué)碩士學(xué)位論文 支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)的研究 碩士研究生 ： ?，撴? 指導(dǎo)教師 ： 張國(guó)印 教授 學(xué)科、專業(yè) ： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 論文主審人 ： 姚愛(ài)紅 副教授 哈爾濱工程大學(xué) 2021 年 03 月 分類號(hào)： 密級(jí)： ＵＤＣ： 編號(hào)： 工學(xué)碩士學(xué)位論文 支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)的研究 碩 士 研 究 生 ： ?，撴? 指 導(dǎo) 教 師 ： 張國(guó)印 教授 學(xué) 位 級(jí) 別 ：工學(xué)碩士 學(xué) 科 、 專 業(yè) ： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 所 在 單 位 ： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 論 文 提 交 日 期 ： 2021 年 1 月 論 文 答 辯 日 期 ： 2021 年 3 月 學(xué) 位 授 予 單 位 ：哈爾濱工程大學(xué) 支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)研究 Classified Index : : A Dissertation for the Degree of Research On RTEMS Supporting Multicore Processor Candidate : Niu Yingjiao Supervisor : Prof. Zhang Guoyin Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Computer Architecture Date of Submission : Jan.,2021 Date of Oral Examination : Mar., 2021 University : Harbin Engineering University 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者 (簽字 )： 日期： 年 月 日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文 (□在授予學(xué)位后即可 □ 在授予學(xué)位 12個(gè)月后 □解密后 )由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。 作者 (簽字 )： 導(dǎo)師 (簽字 )： 日期： 年 月 日 年 月 日 支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)研究 摘 要 近年來(lái)，隨著信息量爆炸式增長(zhǎng)， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和功耗之間的矛盾日益凸現(xiàn)，單核處理器已不能滿足 各領(lǐng)域 電腦用戶的需求。 單芯片多核處理器 通過(guò)在芯片上集成多個(gè)頻率較低的可執(zhí)行核來(lái)解決單核發(fā)展遇到的瓶頸問(wèn)題，而研究支持多核處理器的操作系統(tǒng)是多核得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)多處理器提供了很好的 支持。但是具體硬件體系結(jié)構(gòu)不同，多核化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)機(jī)制不一樣。本文主 要研究支持 SMP 體系的 RTEMS 多核化實(shí)現(xiàn)機(jī)制。 論 文首先 剖析 RTEMS 操作系統(tǒng)內(nèi)核，在此基 礎(chǔ)上 研究 RTEMS 系統(tǒng)對(duì)多核處理器的支持。 系統(tǒng)采用了共享內(nèi)存的體系架構(gòu)，通過(guò)中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)多核之間的通信。針對(duì)單核情況下的同步互斥機(jī)制在多核系統(tǒng)中不能保持原有語(yǔ)義的問(wèn)題，系統(tǒng)采用改進(jìn) 的任務(wù)自旋鎖與中斷自旋鎖相結(jié)合的機(jī)制，該機(jī)制較好的實(shí)現(xiàn)了 RTEMS 多核化的同步與互斥 。針 對(duì) RTEMS 多核任務(wù)調(diào)度采用統(tǒng)一分配策略帶來(lái) 的 不足，在對(duì)現(xiàn)有 動(dòng)態(tài) 調(diào)度算法研究的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)系統(tǒng)資源動(dòng)態(tài)變化自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)整 的 兩級(jí)動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度算法。 本文在 M5 多核仿真平臺(tái)上 利用隨機(jī)任務(wù)圖生成測(cè)試任務(wù)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證RTEMS 多核化系統(tǒng)的可行性和高效性，并選擇 加速比和負(fù)載平衡效率作為策略性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 。 測(cè)試結(jié)果證明了系統(tǒng)正確性，并且隨著計(jì)算規(guī)模不斷增大，新機(jī)制 縮短了任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、改善了系統(tǒng)并行效率。 關(guān)鍵詞： 多核處理器； 對(duì)稱多處理器； RTEMS； 互斥 ；動(dòng)態(tài)調(diào)度Abstract In recent years, with the explosive growth of the information, coupled with Moore39。s Law limit, singlecore processors can not meet the needs of puter users in various fields. Singlechip multicore processors solves the bottleneck problems encountered in the development of the singlecore through integrated multiple lower frequencies executable nuclear onchip. Researching operating system that supports multicore processors is the basis of the multicore applications. RTEMS embedded operating system provides a good support for multiprocessor. But realizing what kind of mechanism in the multicore design process should be based on the specific hardware architecture. This article studies the RTEMS implementation mechanism which support SMP architecture. The article first analyze the RTEMS operating systems kernel, then research RTEMS system which provides support for multicore processors. The system uses a shared memory architecture. Multicore achieve munication through the interrupt mechanism. For Synchronization mutex mechanism in the case of the singlecore can not maintain the original semantics in the multicore system, the system uses the task spinlock and the interrupt spinocked bination mechanisms, and to prevent processor core has been in busy state it limits the waiting time for the spinlock. For the deficiencies of the unified allocation strategy implemented in RTEMS multicore system, proposing two dynamic task scheduling algorithm which can automatically adjusted the task according to the dynamic changes of the system resources on the basis of the study in the existing dynamic scheduling algorithm. This article experiments by use of random task graph to generate test tasks on the M5 multicore simulation platform to verify RTEMS multicore system feasibility and efficiency, and select the speed up and load balancing efficiency as a strategic performance evaluation. The test results prove the system correctness, and with the calculation of the increasing scale, the new mechanism shortens the task execution time and improves the parallel efficiency of the system. Key words: multicore processor。 symmetric multi processing。 RTEMS。 mutex mechanism。 dynamic scheduling支持多核處理器的 RTEMS 嵌入式操作系統(tǒng)研究 目 錄 第 1 章 緒論 1 研究背景和意義 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 主要研究?jī)?nèi)容 3 論文的組織結(jié)構(gòu) 4 第 2 章 RTEMS 操作系統(tǒng)內(nèi)核剖析 5 RTEMS 簡(jiǎn)介 5 RTEMS 體系結(jié)構(gòu) 6 RTEMS 內(nèi)核剖析 7 對(duì)象 7 任務(wù)管理 183