（計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)論文）基于deltacorba的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境.pdf

基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 中文摘要 嵌入式系統(tǒng)在如今有日益廣泛的應用，用戶在開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)時，它 的實時性能是用戶很關注的問題，是軟件質(zhì)量的一個很重要的方面，軟件系統(tǒng) 中，任務的劃分、模塊的劃分、任務優(yōu)先級的設置、算法設計以及各模塊計算 時間的長短、任務間的通信機制等等都將影響系統(tǒng)最終的實時性能。所以為了 確保軟件質(zhì)量，實時軟件的開發(fā)應從需求分析開始，實時性就應受到關注?！扒?入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境”就是旨在實時軟件設計的早期階段幫助應用開發(fā) 人員分析其早期軟件模型的執(zhí)行流程和實時性能，發(fā)現(xiàn)設計中不合理的地方， 以便及早做修改。 c o r b a 為可移植的、面向?qū)ο蟮姆植际接嬎銘贸绦蛱峁┝瞬灰蕾囉谄脚_ 的編程接口和模型，許多用戶會使用c o r b a 開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)，d e l t a c o r b a 是科銀京成公司開發(fā)的基于m i n i c o r b a 規(guī)范，支持d e l t a o s ，t o r n a d o 等嵌入式 操作系統(tǒng)的嵌入式c o r b a ，本仿真環(huán)境同時提供了基于d e l t a c o r b a 開發(fā)嵌入式 應用系統(tǒng)的解決方案。 本論文是作者在科銀京成公司參與開發(fā)“基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系 統(tǒng)設計仿真環(huán)境”的基礎上成文。本文首先介紹了科銀京成公司開發(fā)的嵌入式 操作系統(tǒng)d e t a o s 和嵌入式c o r b a d e l t a c o r b a ，然后闡述了“基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境”的設計方案及其實現(xiàn)方法，最后說明了今后 的改進構(gòu)想，并進行總結(jié)。 關鍵詞：嵌入式，d e l t a o s ，d e l i a c o r b a ，仿真環(huán)境 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 a b s t r a c t n o w a d a y , t h e e m b e d e ds y s t e mi sa p p l i e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y w h e nt h e u s e rd e s i g n st h ee m b e d e d a p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h er e a lt i m ec a p a b i l i t yw i l lb e c a r e db y t mu s e r l ti so n eo ft h ei m p o r t a n ta s p e c t sa b o u tq u a l i t yo fs o f t w a r e i nt h es o f t w a r e s y s t e m ，t h ed i v i s i o no f t a s k sa n dm o d u l e s ，t h es e t t i n go ft a s kp r i o r i t y , t h ea r i t h m e t i c d e s i g n ，t h ec a l c u l a t i n gt i m eo f d i f f e r e n tm o d u l e sa n dc o m m u n i c a t i o n sm e c h a n i s m a m o n gt h et a s k s w i l la f f e c tt h er e a lt i m ec a p a b i l i t yo ft h ee m b e d e da p p l i c a t i o n s y s t e m s ot oe n s u r et h eq u a l i t yo fs o f t w a r e ，t h er e a lt i m ec a p a b i l i t ym u s tb e e nc a r e d f r o mt h eb e g i n n i n go fr e q u i r m e n ta n a l y s e e m u l a t i n ge n v i r o n m e n to fd e s i g no f e m b e d e d a p p l i c a t i o ns y s t e m ”w i l lh e l p t h e a p p l i c a t i o nd e v e l o p e r t o a n a l y s e e x e c u t i o nf l o wa n dr e a lt i m ec a p a b i l i t y , f i n d i n gu n r e a s o n a b l ep l a c e sw h i c hc a r lb e m o d i f i e di nt i m e c o r b ao f f e r st h ei n t e r f a c e sa n dm o d u l e si n d e p e n d e mo f p l a t f o r mf o ro b j e c t o r i t e n t e d ，d i s t r i b u t i n ga p p l i c a t i o np r o g r a m m a n yu s e r su s ec o r b a t od e v e l o pt h e e m b e d e da p p l i c a t i o ns y s t e m d e r a c o r b a d e v e l o p e db yc o r e t e kc o m p a n yi sb a s e d o nm i n i c o r b as t a n d a r d i ti se m b e d e dc o r b aw h i c ks u p p o r t ss o m ee m b e d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，s u c h a sd e l t a o s ，t o r n a d o a tt h es a m et i m e ，t h i s e m u l a t i n g e n v i r o n m e n to f f e r st h er e s o l v i n gs c h e m ea b o u t d e v e l o p i n ge m b e d e da p p l i c a t i o n s y s t e mb a s e d o nd e l t a c o r b a t h i sp a p e ri sb a s e do nai m p l e m e n t a t i o no fa ne m u l a t i n ge n v i r o n m e n to f d e s i g n o fe m b e d e d a p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hw a sr e a l i z e db y t h ec o r e t e k c o m p a n y t h a tt h e a u t h o rp a r t i c i p a t e di n i nt h i s p a p e r ，d e l t a o s a n dd e l t a c o r b ad e v e l o p e d b y c o r e t e kc o m p a n ya r ei n t r o d u c e da tf i r s t ，t h e nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o ns o l u t i o n o ft h i se m u l a t i n ge n v i r o n m e n ta r ei n t r o d u c e d a tl a s t 。t h ea u t h o rs e t sf o n ht h ei d e a s f o rt h ef u t u r ei m p r o v e m e n ta n ds u m u p t h i sp a p e r k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，d e l t a o s ，d e l t a c o r b a ，e m u l a t i n ge n v i r o n m e n t i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學或其它 教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 躲牲吼沖2 月刁日 關于論文使用授權(quán)的說明 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學可以將學位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名：剖疊盤 導師簽名：壘墜三 日期：2 0 0 4 年3 月 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 1 1 項目背景及其意義 第一章概述 隨著計算機的發(fā)展和應用的普及，實時計算機系統(tǒng)( 以下簡稱實時系統(tǒng)) 已 經(jīng)在工業(yè)、交通、能源、科學研究和科學試驗、國防等各個領域發(fā)揮極其重要 的作用。滲透到越來越多的領域，包括過程控制、核電站、智能車輛公路系統(tǒng)、 航空、飛行控制、通信、多媒體、辦公自動化、自動化控制、計算機外設、消 費電子、實時模擬、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)療應用、軍事等等，實時操作系統(tǒng)得到了廣 泛地應用和發(fā)展。大多數(shù)實時系統(tǒng)都是嵌入式應用( e m b e d d e da p p li c a ti o n s ) 。 在嵌入式應用中，嵌入式計算機是內(nèi)裝于專用設備系統(tǒng)的一種智能部件，其主 要功能是在一個大型的工程系統(tǒng)中作為信息處理部件，它是一種看不見的計算 機。嵌入式的典型應用包括：生產(chǎn)過程中各種動作流程的控制、通訊設備、智 能儀器、軍事電子設備和現(xiàn)代武器等等，并且伴隨著網(wǎng)絡、通訊技術(shù)的發(fā)展， 國內(nèi)外的i t 界提出了信息智能家電的概念。從對機頂盒、能上網(wǎng)的微波爐、多 功能d v d ，到微軟的維納斯計劃、女媧計劃等的報道，我們可以看到實時、嵌 入式這一領域的發(fā)展前途十分巨大。 與一般的計算機應用相比，嵌入式實時應用系統(tǒng)具有及時處理、配置專一、 資源有限、結(jié)構(gòu)緊湊和堅固可靠等特點，相應的軟件系統(tǒng)應是一種別有特色、 要求更高的實時軟件。這種實時軟件的基本特征是：實時性、有處理異步并發(fā) 事件的能力、快速啟動、并有出錯處理和自動復位功能等，從嵌入式實時系統(tǒng) 的應用來看，它的實時性是非常重要的特性，是用戶很關注的問題，是軟件質(zhì) 量的一個很重要的方面，軟件系統(tǒng)中任務的劃分、模塊的劃分、任務優(yōu)先級的 設置、算法設計以及各模塊計算時間的長短、任務間的通信機制等等都將影響 系統(tǒng)最終的實時性能。所以為了確保軟件質(zhì)量，實時軟件的開發(fā)應從需求分析 階段開始，實時性應受到關注，“嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境”就是旨在實時 軟件設計的早期階段幫助應用開發(fā)人員設計嵌入式應用系統(tǒng)的早期軟件模型， 并分析早期軟件模型的執(zhí)行流程和實時性能，發(fā)現(xiàn)設計中不合理的地方，以便 及早做修改。 第1 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 隨著嵌入式系統(tǒng)的目益廣泛應用，嵌入式系統(tǒng)之問及嵌入式系統(tǒng)與普通桌 面系統(tǒng)之間必然會出現(xiàn)更廣泛的協(xié)同工作的需求。而在當前的桌而和企業(yè)應用 系統(tǒng)中，這樣的協(xié)同工作問題已經(jīng)得到很好的解決，那就是使用種叫軟總線 ( s o f t w a r eb u s ) 的技術(shù)( 通常也稱中間件) 。通過軟總線，應用系統(tǒng)的對象能 達到透明合作的效果。這樣的應用系統(tǒng)，具有易于開發(fā)，易于維護，易于升級 的特點。而c o r b a 作為該技術(shù)的主流，已經(jīng)在桌面和企業(yè)應用系統(tǒng)中，得到了 廣泛的應用。d e l t a c o r b a 是科銀京成公司開發(fā)的基于m i n i c o r b a 規(guī)范，支持 d e l t a o s ，t o r n a d o 等嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式c o r b a ，許多用戶會使用c o r b a 開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)，所以在設計嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境時，就應該考 慮到用戶使用d e l t a c o r b a 開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)。 1 2 進入項目的準備 本項目是在科銀京成公司開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)d e l t a o s 和嵌入式中 間件d e i t a c o r b a 的概念基礎上開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境，所以必須對 d e l t a o s 和d e l t a c o r b a 的概念具有相當?shù)牧私猓拍軐λ鼈冞M行仿真。本人從 研一下學期開始就在科銀京成公司實習，對實時、嵌入式的基本概念和內(nèi)核的 工作機制已有清楚和深刻的理解，已圓滿完成多個和嵌入式相關的項目，在這 些工作經(jīng)驗的基礎上，在科銀京成公司的組織下，展開了該項目的研究和設計， 并取得預期結(jié)果。 1 3 論文的內(nèi)容安排 第二章和第三章分別介紹d e l t a o s 和d e l t a c o r b a 的基本概念，笫四章是描 述仿真環(huán)境的整體設計t 介紹仿真環(huán)境的設計思路，第五章介紹仿真環(huán)境是如 何實現(xiàn)的，第六章介紹了一個嵌入式應用系統(tǒng)，如何使用仿真環(huán)境對它們進行 仿真設計，并在第七章對全文進行了總結(jié)。 第2 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 第二章嵌入式實時操作系統(tǒng)d e ft a o s “嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境”就是旨在實時軟件設計的早期階段幫助 應用開發(fā)人員設計嵌入式應用系統(tǒng)的早期軟件模型，而該嵌入式應用系統(tǒng)所基 于的嵌入式實時操作系統(tǒng)就是科銀京成公司開發(fā)的d e t a o s 2 1 嵌入式實時應用系統(tǒng)軟件的基本特征 與一般的計算機應用相比，嵌入式實時應用系統(tǒng)具有及時處理、配置專一、 資源有限、結(jié)構(gòu)緊湊和堅固可靠等特點，相應的軟件系統(tǒng)應是一種別有特色、 要求更高的實時軟件。這種實時軟件的基本特征是： 1 實時性 實時軟件要求對外部事件作出及時反應，在某些情況下，響應時間還需要 是確定的，不管當時系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)如何，都是可預測的( p r e d i c t a b l e ) 。 2 有處理異步并發(fā)事件的能力 實際環(huán)境中，嵌入式實時系統(tǒng)處理的外部事件往往不是單一的，這些事件 往往同時出現(xiàn)，而且發(fā)生的時刻也是隨機的，即異步的。實時軟件應有能力對 這些外部事件有效地進行處理。 3 快速啟動、并有出錯處理和自動復位功能 這要求對機動性強、環(huán)境復雜的智能系統(tǒng)顯得特別重要。通常，嵌入式 實時軟件需要事先固化到只讀存貯器中，開機即用，并在運行出錯或死機時能 自動恢復先前運行狀態(tài)。因此嵌入式實時軟件應采用特殊的容錯、出錯處理措 施。 4 嵌入式實時軟件是應用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序。 對于通用計算機系統(tǒng)，例如p c 機、工作站，操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件和應用軟 件之間界限分明。換句話說，在統(tǒng)一配置的操作系統(tǒng)環(huán)境下，應用程序是獨立 的運行軟件，可以分別裝入執(zhí)行。但是，在嵌入式實時系統(tǒng)中，這一界限并不 第3 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 明顯。這是因為，應用系統(tǒng)配置差別較大，所需操作系統(tǒng)繁簡不一，這就要求 采用不同配置的操作系統(tǒng)和應用程序，鏈接裝配成統(tǒng)一的運行軟件系統(tǒng)。也就 是說，在系統(tǒng)總設計目標指導下將它們綜合加以考慮、設計與實現(xiàn)。 5 嵌入式實時軟件的開發(fā)需要獨立的開發(fā)平臺 嵌入式實時應用系統(tǒng)的軟件開發(fā)常常需要在專門的交叉開發(fā)環(huán)境中進行 如圖2 - i 所示： 2 2 嵌入式實時操作系統(tǒng) 圖2 - 1 交叉開發(fā)環(huán)境 實時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的( e v e n t d r i v e n ) ，能對來自外界的作用和信號 在限定的時間范圍內(nèi)作出響應。它強調(diào)的是實時性、可靠性，為應用軟件提供 良好的軟件運行環(huán)境。 i e e e 的實時u n i x 分委會認為實時操作系統(tǒng)應具備以下幾點： 1 對異步事件的響應 為了能在限定時間內(nèi)響應異步事件，實時操作系統(tǒng)需要具有中斷處理能力。 2 任務切換時間和中斷延遲時間確定 3 優(yōu)先級任務 必須允許用戶定義任務的優(yōu)先級。 4 搶占式調(diào)度 為確保響應時間，必須允許高優(yōu)先級任務一旦準備好就可馬上搶占低優(yōu)先 級任務的運行。 5 內(nèi)存鎖定 必須具有將程序或部分程序鎖定在內(nèi)存的能力，鎖定在內(nèi)存的程序減少了 第4 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 為獲取該程序而訪問盤的時間，從而確保了及時、確定的響應時間。 6 連續(xù)文件 應提供存取盤上數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法，使得存取數(shù)據(jù)時查找時間最少。通常要 求把數(shù)據(jù)存儲在連續(xù)文件上。 7 同步與互斥 提供同步與協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)使用的手段。 從實時系統(tǒng)韻應用特點來看，實時操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實時操作 系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)。一般實時操作系統(tǒng)與嵌入式實時操作系統(tǒng)都是具 有實時性的操作系統(tǒng)，它們的主要區(qū)別在于應用場合和開發(fā)過程。一般實時操 作系統(tǒng)應用于實時處理系統(tǒng)的上位機和實時查詢系統(tǒng)等實時性較弱的實時系 統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運行一致的環(huán)境。而嵌入式實時操作系統(tǒng)應用于 實時性要求高的實時控制系統(tǒng)，而且應用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完 成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是不一致的。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小( 一 般在幾十k b 內(nèi)) 、可固化使用、實時性強的特點。 據(jù)嵌入式系統(tǒng)雜志( e m b e d d e ds y s t e m sp r o g r a n m f i n g ) 報告，世界各國有四 十多家公司，已成功推出2 0 0 余種可供嵌入式應用的實時操作系統(tǒng)。其中幾個 著名的實時、嵌入式操作系統(tǒng)是w i n dr i v e rs y s t e m 公司( w r s ) 的v x w o r k s 、p s o s ， m e n t o rg r a p h i c s 公司的v r t x ，m i c r o s o f t 公司支持w i n 3 2a p i 編程接口的 w i n d o w sc e ，m i c r o w a r e 公司的0 s - 9 ，3 c o m 公司的p a l mo s 。 實時、嵌入式操作系統(tǒng)及其應用開發(fā)環(huán)境的發(fā)展動向是： 1 提供開放的操作系統(tǒng)應用程序接口( a p i ) 商用實時、嵌入式操作系統(tǒng)為了支持開發(fā)商根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應 用程序，除了提供自身的一套a p i 以外，還要提供支持p o s i x 標準、i t r o n 標準的a p i 。 2 面向i n t e r n e t 、面向特定應用是實時、嵌入式操作系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。 伴隨著通用型實時、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展，一個面向i n t e r n e t 網(wǎng)絡、 面向特定應用的實時、嵌入式操作系統(tǒng)正日益引起人們的重視。嵌入式系 統(tǒng)與i n t e r n e t 的結(jié)合、嵌入式操作系統(tǒng)與應用設備的無縫結(jié)合代表著嵌入 式操作系統(tǒng)發(fā)展的真正未來。 第5 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 3 實時、嵌入式l i n u x 成為實時、嵌入式操作系統(tǒng)領域的新熱點。 實時、嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的迅速崛起，主要由于人們對自由軟件 的渴望和嵌入式應用的特制性對系統(tǒng)源代碼的需求。實時、嵌入式l i n u x 正適應了這一需求。它具有開放的源代碼、精巧，高效的內(nèi)核、完整的網(wǎng) 絡功能、良好的可剪裁性，非常適合信息家電一類的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 4 開發(fā)環(huán)境向開放的、集成化的方向發(fā)展 由于嵌入式應用軟件的特殊性，往往要求應用程序的設計者具有一定 實時操作系統(tǒng)的專門知識，能合理劃分任務，合理配置系統(tǒng)以及目標聯(lián)機 的調(diào)試。因此，要設計實現(xiàn)一個高性能的實時應用軟件，需要強有力的交 叉開發(fā)工具的支持。國外十分重視發(fā)展與實時操作系統(tǒng)配合的嵌入式應用 的集成開發(fā)環(huán)境，現(xiàn)己發(fā)展到第三代，它以客戶一服務器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基 礎，具有運行系統(tǒng)的無關性、連接的無關性、開放的軟件接口( 與實時、嵌 入式操作系統(tǒng)的接口、與開發(fā)工具的接口、與目標環(huán)境的接口) 、環(huán)境的一 致性、宿主機上目標仿真等特點。 2 2d ej t a o s 結(jié)構(gòu) d e l t a o s 是科銀京成公司開發(fā)的強實時、嵌入式多任務操作系統(tǒng)。 2 2 1 d e i t a o s 體系結(jié)構(gòu)的設計 嵌入式實時操作系統(tǒng)d e t a o s 具有一個可剪裁、可擴展、可配置和可移植的 多層次體系結(jié)構(gòu)，如圖2 2 所示。 d e l t a o s 是應用程序與硬件之間的接口。至底向上，d e l t a o s 分為三個層次， 依次是設備驅(qū)動程序?qū)?、?nèi)核層和系統(tǒng)程序?qū)印?1 設備驅(qū)動程序?qū)?這一層提供硬件的驅(qū)動程序和調(diào)用設備驅(qū)動程序的接口。設備驅(qū)動程序 接口( 硬件抽象層) 提供對抽象硬件操作的接口。抽象硬件是指硬件類型 確定，但不指明設備的具體類型。例如定義了網(wǎng)卡驅(qū)動程序的接口，但是 不區(qū)分網(wǎng)卡的類型。不同類型的網(wǎng)卡有不同的驅(qū)動程序，但是操作的接口 是一致的。 第6 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 1 ) 內(nèi)核相關的設備 中斷控制器、時鐘部件 2 ) o s 其他組件相關的設備 字符設備、網(wǎng)絡設備、塊設備、顯示設備、鍵盤設備和定點設備。 應用程序 圖2 - 2d e l t a o s 和d e l t a c o r e 體系結(jié)構(gòu)圖 2 內(nèi)核層 這一層是d e l t a o s 的內(nèi)核d e l t a c o r e 的內(nèi)容。根據(jù)與硬件的關系， d e l t a c o r e 的體系結(jié)構(gòu)可以分為與硬件完全無關部分、與抽象硬件相關部分 和與具體硬件相關部分。 1 ) 硬件完全無關部分 這部分內(nèi)容完全獨立于硬件，在內(nèi)核移植時不需改動，具有完全可 移植性。它包括任務管理( 任務上下文切換除外) 、擴展處理、同步，通 第7 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 信管理( 信號量、消息、異步信號和事件) 和內(nèi)存管理。各管理模塊之 間無調(diào)用關系，無層次之分。 2 ) 抽象硬件相關部分 抽象硬件的概念參見本節(jié)有關設備驅(qū)動程序?qū)又械恼f明。d e l t a c o r e 對抽象硬件的操作必須通過i o 管理實現(xiàn)，其目的是通過i o 管理提供的 用于操作設備的標準接口來規(guī)范內(nèi)核對設備的操作。d e l t a c o r e 中與抽象 硬件相關的部分為時間管理。例如，對時鐘的初始化是通過i o 管理提供 的初始化調(diào)用d e l t a i o i n i t i a l i z e 調(diào)用時鐘驅(qū)動程序接口，再由它調(diào)用 具體時鐘的驅(qū)動程序。所以，內(nèi)核移植時這部分的代碼基本上不用修改。 3 ) 硬件相關部分 d e l t a c o r e 中硬件相關部分為任務上下文切換和中斷處理。出于對響 應時間的考慮，中斷處理不通過i o 管理，直接由設備驅(qū)動程序接口調(diào)用 具體設備的驅(qū)動程序。這部分代碼帶有濃厚的硬件特色，不可移植。 3 系統(tǒng)程序?qū)?這一層包括了實時操作系統(tǒng)d e l t a o s 的其它組件：t c p i p 協(xié)議棧、文件 系統(tǒng)、圖形窗口系統(tǒng)及其它系統(tǒng)。這些組件都直接通過設備驅(qū)動程序接口 調(diào)用具體的設備驅(qū)動程序。這樣做的目的是：一方面在于減小其它組件與 內(nèi)核的耦合度，提高這些組件的可移植性；另一方面在于減少調(diào)用層次關 系，提高執(zhí)行效率。i 0 管理的目的之一就是規(guī)范對設備的操作，而設備驅(qū) 動程序接口也能起到一定的規(guī)范作用。所以，其它組件不使用i o 管理也是 可行的。 d e l t a o s 向應用提供兩類編程接口：本地化的接口d e l t aa p i 和標準化 的p o s i xa p i 。用戶還可以根據(jù)需要建立自己的編程接口，這里稱為應用 擴展的程序接口。例如，汽車行業(yè)的用戶、數(shù)字電視領域的用戶就希望專 門針對本行業(yè)建立一套編程接口。對于上層的所有應用都建立在這層編程 接口上，編程人員不需要關心這些接口的實現(xiàn)細節(jié)，只需要遵循系統(tǒng)約定 的規(guī)則建立好自己的應用?；赿 e l t o s 的應用編程人員看到的系統(tǒng)體系結(jié) 構(gòu)如圖2 - 3 所示。 第8 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 應用 f 。觚a 提供的編程接口( 。e l t a a p i 、p 。s * 世i ) 應用擴 i 蹦協(xié)展的程 序接口 硬件 圖2 - 3 d e l t a 的應用編程人員看到的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 22 2 d e i t a c o r e 2 0 結(jié)構(gòu)原理 d e l t a c o r e 2 0 是一個強實時、嵌入式多任務操作系統(tǒng)d e l t a 0 s 的內(nèi)核。其 內(nèi)存模式為平模式( f l a t m e m o r y m o d e ) ，適用于內(nèi)存要求較小、可靠性要求較 高的嵌入式系統(tǒng)。 2 2 2 1 d e i t a c o r e 2 0 概述 1 ) 初始化管理 完成實時內(nèi)核的初始化工作，并啟動實時調(diào)度。 2 ) ，任務管理 完成應用任務的管理，是操作系統(tǒng)內(nèi)核的核心部分。它具有創(chuàng)建任務、 刪除任務、掛起任務、解掛任務、設置任務優(yōu)先級等功能。 3 ) 時間管理 為應用系統(tǒng)的實時響應提供支持，保證整個系統(tǒng)的實時性、正確性，以 提高整個嵌入式系統(tǒng)的實時工作能力。該模塊允許應用任務設置和讀取系統(tǒng) 時間；允許應用任務睡眠一段時間或睡眠到某一時刻；完成系統(tǒng)計時和對任 務時間片的計算。 4 ) 定時管理 完成系統(tǒng)的定時功能。在定時時間后調(diào)用相應的定時處理程序。 5 ) 中斷管理 第9 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 完成響應中斷的一些必要處理，支持中斷嵌套時任務堆棧和中斷專用堆 棧的切換。 6 ) 通信、同步、互斥管理 提供應用任務之間、任務與中斷之間的通信、同步和互斥機制，對它們 之間的協(xié)調(diào)工作起著重要的作用。內(nèi)核提供了四種機制： a 消息隊列。完成任務間的數(shù)據(jù)傳輸； b 信號量- 實現(xiàn)資源的共享、互斥及同步： c 異步信號一支持任務間的異步通信： d 事件一高效的通信與同步機制。 7 ) 內(nèi)存管理 提供可變大小數(shù)據(jù)塊和固定大小數(shù)據(jù)塊的管理。 d e l t a c o r e 2 0 可用于開發(fā)不同類型的嵌入式應用，具有如下特點： 目標環(huán)境獨立性 d e l t a c o r e 2 0 需要的存儲容量小，提供了真正的芯片級的支持。 可擴充性 用戶可以容易地將應用程序和d e l t a c o r e 2 ，o 結(jié)合起來，既可以由應用程 序獨立運行自己的調(diào)用程序和例程，也可以d e l t a c o r e 2 0 統(tǒng)一管理。操作 系統(tǒng)的其它組件也可容易地加到系統(tǒng)中。 位置無關性 d e l t a c o r e 2 o 具有一個可重定位的目標庫，在鏈接時可以被定位到內(nèi)存 允許的任意地址空間。 2 2 2 2 d e i t a c o r e 2 0 的體系結(jié)構(gòu) 圖2 - 4 是d e l t a c o r e 2 0 基本體系結(jié)構(gòu)，可以看出，d e l t a c o r e 2 0 對硬件 的基本要求目pp r o m 、r a m 、c p u 、c l o c k 、字符i o 設備：它與多任務應用 程序的接口為系統(tǒng)調(diào)用。 第1 0 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 。一 j多任務應用程序l l 、，、。，- - ，u - - - ，- u - - - - - 、一，- - - - ，。，- - - - - - - - - - j 廠孬雨百西r r i 麗藪百磊麗 【，。一j一。、j 基本調(diào)用中斷支持應用擴展 圖2 - 4d e l t a c o r e 2 0 基本體系結(jié)構(gòu) 2 2 2 3 d e i t a c o r e 2 0 的系統(tǒng)調(diào)用 d e l t a c o r e 2 0 與多任務應用程序的接口為系統(tǒng)調(diào)用。應用程序通過系統(tǒng)調(diào) 用使用d e l t a c o r e 2 0 提供的功能。d e l t a c o r e 2 0 提供了1 1 類共7 0 多個系統(tǒng) 調(diào)用，并以庫( 1 i b d e l t a k e m e l a ) 的形式存在，用戶可在此基礎上編制應用程序。 只有應用中用到的功能才會與應用程序鏈接在一起，裝入目標環(huán)境。在本防真 環(huán)境中，將會模擬其中的一部分系統(tǒng)調(diào)用的功能，這在后面會有詳細說明。 d e l t a c o r e 2 0 提供了1 1 類系統(tǒng)調(diào)用，如表2 - 1 所示。 第1 1 頁 基于d e n a 堡旦塑壘塑壁壘壅些旦墨塹望鹽墮塞塹塑 d e l t a 協(xié)s ks e tn o t e設置參數(shù)指定的筆記本 d e l t at a s k _ g e t _ n o t e 獲得參數(shù)指定的筆記本 d e l t at a s kv a r j a b l ea d d添加任務變量 d e l t a t a s kv a r i a b l e _ g e t 獲得任務的變量 d e l t at a s kv a r i a b l e _ d e l e t e刪除任務的變量 d e l t at a s k _ d i s a b l e _ d i s p a t c h 關調(diào)度 d e l t a t a s k _ e n a b l e _ d i s p a t c h 開調(diào)度 d e l t a t a s k _ i s _ s u s p e n d e d 判斷任務是否被掛起 用戶擴展管理d e l t a _ e x t e n s i o n _ c r e a t e 創(chuàng)建一個用戶擴展集 d e l t ae x t e n s i o n _ i d e n t獲得用戶擴展集i d d e l t ae x t e n s i o nd e l e t e刪除指定的用戶擴展集 r e g i o nd e l t ar e g i o nc r e a t e創(chuàng)建一個r e g i o n d e l t a _ r e g i o n i d e n t 獲得一個r e g i o n 的l d d e l t a _ r e g i o n d e l e t e 刪除一個r e g i o n d e l t a _ r e g i o n e x t e n d 擴展r e g i o n d e l t a _ r e g i o n _ g e t _ s e g m e n t 申請s e g m e n t d e l t ar e g i o nr e t u r n返回到_segments e g m e n tr e g i o n d e l t ar e g i o n _ g e t _ s e g m e n t _ s i z e獲得s e g m e n t 大小 p a r t iti o n d e l t a a o a r t i t i o n _ c r e a t e 創(chuàng)建一個p m t i t i o n d e l t a a 3 a r t i t i o n _ i d e n t 獲得一個p a r t i t i o n 的i d d e l t a _ p a r t i t i o n _ _ d e l e t e 刪除一個p a r t i t i o n d e l t ap a r t i t i o n _ g e t _ b u f f e r申請b u f f e r d e l t a a m r t i t i o n _ r e t u m b u f f e r將b u f f e r 返回給p a r t i t i o n 消息隊列d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e _ c r e a t e 創(chuàng)建消息隊列 d e l t a _ m e s s a g eq u e u e _ i d e n t 獲得消息隊列i d d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e _ d e l e t e 刪除消息隊列 d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e _ s e n d 發(fā)送普通消息 d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e _ u r g e n t發(fā)送緊急消息 d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e _ b r o a d c a s t廣播消息 d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u er e c e i v e從隊列中接收消息 d e l t a j n e s s a g e _ q u e u eg e t _ n u m b e r _ p e n d i n g 獲得隊列中的消息數(shù) d e l t a _ m e s s a g e _ q u e u e f l u s h刪除隊列中所有消息 信號量d e l t a s e m a p h o r ec r e a t e創(chuàng)建互斥信號量 d e l t as e m a p h o r e _ i d e n t獲得信號量i d d e l t a _ s e m a p h o r e _ d e l e t e刪除信號量 d e l t as e m a p h o r e 獲得一個信號量_ o b t a i n d e l t as e m a p h o e _ r e l e a s e 釋放個信號量 d e l t a _ s e m a p h o r e _ f l u s h喚醒所有等待信號量的任務 事件管理d e l t a e v e n t s e n d發(fā)送事件 d e l t a _ e v e n tr e c e i v e接受事件 異步通信d e l t a _ s i g n a l _ c a t c h安裝異步信號處理例程 d e l t a _ s i g n a l _ s e n d發(fā)送異步信號 中斷管理d e l t a _ i n t e r r u p td i s a b l e禁止所有可屏蔽中斷 d e l t a _ i n t e r r u p te n a b l e開中斷，恢復先前的中斷 第1 2 頁 莖王望! ! ! 墮q 墮壘塑堂壟墮旦墨塹堡鹽墮塞墅量 狀態(tài) d e l t ai n t e r r u p t 該系統(tǒng)調(diào)用暫時地恢復晟近_ f l a s h 一個d e l t a _ i n t e r r u p t _ d i s a b l e 調(diào)用之前的中斷級，然后立 即屏蔽掉所有可屏蔽中斷 d e l t ai r a t e r r u p t 該系統(tǒng)調(diào)用判斷當前是在_ i si n _ p r o g r e s s i s r 中還是在任務中 d e l t ai n t e r r u p t _ g e t _ h a n d l e r該系統(tǒng)調(diào)用獲得指定中斷向 量的i s r 起始地址 d e l t a _ i n t e r r u p t _ i n s t a l l _ v e c t o r 該系統(tǒng)調(diào)用建立指定中斷向 量的i s r d e l t a _ i n t e r r u p t _ r e m o v e _ h a n d l e r 該系統(tǒng)調(diào)用恢復指定中斷向 量的i s r 為內(nèi)核提供的缺省 的i s r 起始地址 時鐘管理d e l t a _ c l o c k g e t 獲取指定類型的時間 d e l t a _ c l o c k _ s e t 設置系統(tǒng)日歷時間 d e l t ac l o c kt i c k維護系統(tǒng)時基 d e l t a c l o c k t i c k s e c o n d 維護秒級的計時 定時管理d e l t a _ t i m e rc r e a t e創(chuàng)建定時器 d e l t a _ t i m e r _ d e l e t e 刪除定時器 d e l t at i m e rc a n c e l中止定時器計時 d e l t a _ t i m e r _ i d e m獲得定時器i d d e l t a _ t i m e rf i r e a f t e r 相對時間觸發(fā)定時器 d e l t a _ t i m e r f i r e _ w h e n絕對時間觸發(fā)定時器 d e l t a _ t i m e r _ r e s e t 重新設置定時器的值 表2 - 1d e l t a c o r e 2 0 的系統(tǒng)調(diào)用 第1 3 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 第三章嵌入式中間件d e f t a o o r b a d e l a t c o r b a 是科銀京成公司基于m i n i m u mc o r b a 規(guī)范設計開發(fā)的一種嵌入 式c o r b a ，能夠支持d e l t a c o r e ，t o r n a d o 等嵌入式操作系統(tǒng)。同時提供支持 w i n d o w s9 8 ，n t 2 0 0 0 和l i n u x 的版本，以支持嵌入式系統(tǒng)與桌面系統(tǒng)的協(xié)同 工作。 3 1 c o r b a 簡介 計算機網(wǎng)絡是典型的異構(gòu)( h e t e r o g e n e o u s ) 體系。例如，一個小軟件公司 的內(nèi)部網(wǎng)絡可能是由多個計算機平臺組成的?？赡苡幸粋€主機來處理用作訂貨 的事務數(shù)據(jù)庫訪問，u n i x 工作站用來提供硬件仿真環(huán)境和軟件開發(fā)中樞，p c 機 使用w i n d o w s 操作系統(tǒng)并提供桌面辦公自動化工具，還有其它一些專用的系統(tǒng)， 如網(wǎng)絡計算機，電話系統(tǒng)、路由器和測量設備。一個給定網(wǎng)絡的一小部分可能 是同構(gòu)機型的，網(wǎng)絡越大，它所組成的機型就越多樣化。 造成這種異構(gòu)的原因很多。一個明顯的原因是網(wǎng)絡技術(shù)隨著時間不斷地在 改進。網(wǎng)絡技術(shù)不是一成不變的，它在不斷地演化，不同時期最好的技術(shù)可能 在同一網(wǎng)絡中共存。造成網(wǎng)絡異構(gòu)的另一個原因是網(wǎng)絡的大小不是固定不變的。 任何一種計算機、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡平臺的組合都是為了能在一個網(wǎng)絡內(nèi)使某一 部分的性能達到最好。還有一個原因是在一個網(wǎng)絡內(nèi)的多樣化使得它具有更大 的回轉(zhuǎn)余地，因為在某一機器類型，操作系統(tǒng)或應用程序所出現(xiàn)的問題可能在 其它操作系統(tǒng)和應用程序上不成其問題。 造成異構(gòu)的計算機網(wǎng)絡的因素是不可避免的，因此實際從事分布式系統(tǒng)的 開發(fā)者無論喜歡還是不喜歡都必須面對異構(gòu)的問題。開發(fā)用于分布式系統(tǒng)的軟 件已是十分困難，而開發(fā)一個異構(gòu)的分布式系統(tǒng)的軟件就更困難了。這類軟件 必須涉及到分布式系統(tǒng)編程過程中通常所要遇到的所有問題，比如：網(wǎng)絡中某 些系統(tǒng)的故障，網(wǎng)絡分區(qū)，及與資源爭用和共享、網(wǎng)絡安全等相關的問題。 例如，當你將一些網(wǎng)絡上的應用程序移植到新的網(wǎng)絡平臺時，就會遇到同 一個應用程序，它有好幾個版本。如果你對這個應用程序任一個版本做了修改， 那么你必須回過頭來對其他版本也做適當?shù)男拚?，然后單個地測試它們，并且 在他們各種各樣的組合中，確保它們都能正常工作。在同一個網(wǎng)絡中，不同平 第1 4 頁 基于d e l t a c o r b a 的嵌入式應用系統(tǒng)設計仿真環(huán)境 臺的數(shù)目越多，這種情況就越復雜，難度也就越大。 從這個意義上來講，異構(gòu)不是僅僅指計算機硬件和操作系統(tǒng)。當從上層向 下層編寫一個魯棒的分布式應用程序時，例如，從一個定制的圖形用戶接口一 直到網(wǎng)絡傳送和網(wǎng)絡協(xié)議，這幾乎對所有的實際應用程序都是非常棘手的，因 為所涉及到的細節(jié)太多、太復雜。因此，分布式應用的開發(fā)者傾向于大量使用 工具和庫。這就意味著，分布式應用程序本身就是異構(gòu)的，通常需要將大量不 同層次的應用程序和庫連接在一起。遺憾的是，在許多情況下，當分布式系統(tǒng) 增大時，能夠?qū)⑺袘贸绦蚝蛶旖M合在一起的可能性就越小。 在很多情況下，你可以按照下面兩條主要原則來解決異構(gòu)的分布式系統(tǒng)的 應用程序的開發(fā)問題。 1 尋求獨立于平臺的模型和抽象，這樣有助于解決大部分問題； 2 在不犧牲它多性能的情況下，盡可能隱藏低層的復雜細節(jié)。 通常，這兩條原則對于開發(fā)任何一個可移植的應用程序都是適用的，不論 是分布式系統(tǒng)還是非分布式系統(tǒng)。但是，由于分布式體系引入的附加的復雜性 也使上述原則肩負更重要的任務。雖然使用合適的抽象和模型將會提供新的異 構(gòu)的應用程序開發(fā)層，分布式異構(gòu)的復雜性將會集中在這個層面上。在這一層 上，底層的細節(jié)被隱藏起來了，并且允許應用程序的開發(fā)者只解決他們自己的 開發(fā)問題，而不必面對應用程序所要涉及到的，由于不同計算機平臺所帶來的 低層的網(wǎng)絡細節(jié)問題。 由0 m g 編寫和維護的c o r b a 規(guī)范提供了一種靈活的、切實可行的抽象集， 并且確定了一些服務程序。這些服務程序?qū)τ诮鉀Q由于分布式異構(gòu)計算所帶來 的一系列問題都是