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1、西南交通大学 硕士学位论文 强实时RTAI在ARM9处理器的实现及性能研究 姓名：李伟 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：杨斌 20100601 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两芰 随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式实时操作系统R T O S 也越来越受到重视，尤 其是在工业控制、航空航天、医疗卫生和军用等领域。R T A I ( R e a l T i m eA p p l i c a t i o n I n t e r f a c e ) 1 9 1 是由意大利米兰理工学院航天工程系( D I A P M ) 发起开发的遵循G P L 的 开源项目。它是对L i
2、 n u x 内核的强实时扩展，可以提供工业级的R T O S 功能，而且其 所有的功能都可无缝的通过G N U L i n u x 环境访问。现在基于R T A I 已经有了很多的应 用，如R T n e t 、U S B 4 R T 、R T C A N 等。R T A I 还在不断的发展之中，而且它在实时环境 中的应用也越来越多，有广阔的发展前景。 基于上述意义，本文首先解释了实时操作系统的相关概念，分别从任务调度、中 断响应、内存管理等方面，指出在实时操作系统中影响实时性的要素，并给出了现阶 段实时L i n u x 的几种架构。接着。针对基于A R M 平台R T A I 的实现，深
3、入研究与分析 了R T A I 实现机制，详细剖析了基于L i n u x 实现的A D E O S I P I P E 超微内核的工作原理 和具体实现。 设计完成的测试硬件平台基于A T 9 1 R M 9 2 0 0 处理器，A T 9 1 R M 9 2 0 0 是A T M E L 针 对系统控制以及通信领域推出的基于A R M 9 2 0 T 内核的微处理器，它集成了U S B 、以 太网、E B I 、M C I 、S S C 和S P I 等多种丰富的外设接口，高速的处理速度和先进的电源 管理使得这款芯片能够应用于很多领域。由于本课题的最重要部分是实现L i n u x R T
4、A I 在A T 9 1 R M 9 2 0 0 开发板上的移植与测试，所以存储器( F l a s h 和S D R A M ) 是必要的， 另外J T A G 用于下载和调试程序，串口可用于打印调试信息，便于应用开发，以太网 口可用于与P C 机高速通讯。除此之外的其他一些接口可选，用引线引出，以便扩展 应用。 基于此硬件平台，设计与实现了B o o t l o a d e r 、L i n u x 内核、根文件系统、R T A I 的 移植工作，移植版本为u - b o o t1 - 3 4 的B o o t l o a d e r 、2 6 2 0 的L i n u x 内核和3 7
5、的R T A I 内核，经测试，在此硬件平台上运行效果稳定良好。最后在此软硬件平台上进行了R T A I 和传统L i n u x 之间的任务时间分辨率测试与任务响应速度测试，分析了R T A I 对传统 L i n u x 系统实时性能的提高，为后续实时应用开发提供指导和借鉴。 关键词：实时操作系统；R T A I ；L i n u xA D E O S I P I P E ；A T 9 1 R M 9 2 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页 A bs t r a c t W i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no
6、fe m b e d d e ds y s t e m s t h ee m b e d d e dR e a l - T i m e O p e r a t i n gS y t s t e m ( R T O S ) a l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yi nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o l ，a e r o s p a c e ，m e d i c a ls a n i t a t i o na n dm i l i t a r
7、 yf i e l d s R T A I ( R e a l T i m e A p p l i c a t i o nI n t e r f a c e ) i sa l lo p e ns o u r c ep r o j e c tf o l l o w i n gt h eG P Li n i t i a l l yd e v e l o p e db y t h eD i p a r t i m e n t od iI n g e n e r i aA e r o s p a z i a l e ，P o l i t e c n i c od iM i l a n o ( D I
8、A P M ) I ti sah a r d r e a l t i m ee x t e n s i o nt oL i n u xk e r n e la n di tp r o v i d e si n d u s t r i a l - g r a d eR T O Sf u n c t i o n s ，w h i c h C a nb ea c c e s s e di nG N U L i n u xe n v i r o n m e n t N o wt h e r ea r em a n ya p p l i c a t i o n sb a s e do n R T A I
9、 ，s u c ha sR T n e t ，U S B 4 R T , R T C Na n dS Oo n 舰Ii sc o n t i n u a l l yd e v e l o p i n ga n d m o r ea n dm o r ea p p l i e di nr e a l - t i m ee n v i r o n m e n t ，S Oi th a sab r o a d p r o s p e c t B a s e do nt h ea b o v em e a n i n g s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf n s t
10、e x p l a i n ss o m ec o n c e p t so fr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m C o n c l u d et h ee l e m e n t sa f f e c t i n gt h ec a p a b i l i t yo fr e a l - t i m es y s t e mb y r e s p e c t i v e l ya n a l y z i n gt h er e l a t i v ec o n c e p t si n c l u d i n gt a s ks c
11、 h e d u l i n g ，i n t e r r u p tr e s p o n s e t i m e ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，e t c A n dt a l ka b o u ts e v e r a lr e a l t i m eL i n u xa r c h i t e c t u r e sa t p r e s e n t T h e nw er e s e a r c ht h eR T A Ii m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s m s b a s e do nA R M
12、 a r c h i t e c t u r e ，e s p e c i a l l yt h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fA D E O S I P I P En a n o - k e n e l b a s e do nL i n u xo nt h i sp l a t f o r m T h e d e s i g no ft h e h a r d w a r e p l a t f o r m i sb a s e do nA T 91R M 9 2 0 0p r o c e s s o r A T
13、91R M 9 2 0 0i sam i c r o p r o c e s s o rb a s e do nA R M 9 2 0 Tc o r eb yA T M E Lu s e di ns y s t e m c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi n t e g r a t e sU S B ，E t h e r n e t ，E B I ，M C I ，S S C ，S P Ia n d s o m eo t h e rr i c hp e r i p h e r a li n t e r f a c e
14、 s T h e1 1 i g hp r o c e s s i n gs p e e da n da d v a n c e dp o w e r m a n a g e m e n tm a k et h ec h i pb eu s e di nm a n yf i e l d s A st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i s d e s i g ni st ot r a n s p l a n tL i n u x R T A I t ot h ed e v e l o p m e n tb o a r d b a s e do n
15、A T 91R M 9 2 0 0a n dt o t e s tt h er e a l - t i m ec a p a b i l i t y , t h em e m o r y ( F l a s ha n dS D R A M li sn e c e s s a r y T h eJ T A Gi s u e s di nd o w n l o a d i n ga n dd e b u g g i n gp r o g r a m s ，a n ds e r i a lp o r tC a nb eu s e dt op r i n td e b u g i n f o r m
16、a t i o nt of a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t T h eE t h e m e tp o r tC a nc o m m u n i c a t e w i t hP Ci nah i g hs p e e d T h eo t h e ri n t e r f a c e sa r eo p t i o n a la n dw i t hw i r el e a d e dt oe x t e n d a p p l i c a t i o n s T h ed e s i g nt r a n s p l a n t st h eB o o t l o a d e r , L i n u xk e r n e l r o o tf i l es y s t e ma n dR T A It ot h e h a r d w a r ep l a t f o r m T h ev e r
