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1、硕士学位论文嵌入式操作系统V x A o r k s 下的网络通信摘要V x W o r k s 是W R S ( W i n d R i v e r S y s t e m I n c ) 公司 开发的 一套具有微内 核、 高 性能、 可裁剪的嵌入式实时操作系统。 在目 前全世界多达2 4 0 多种的实时操作系统中， V x W o r k s 是应用最广泛、 最有名的实时操作系统， 在全美的市场上，已 连续几年销量第一。与同类产品相比， V x W o r k s 具有比 较优秀的网络处理能力， 其网络处理速度及流量目 前均处于领先水平， 这也是 V x W o r k s受欢迎的原因之一
2、 。V x W o r k 。 是最早在其内核中加入T C P 八P网络协议的实时操作系统，其内部包括一 个与B S D 4 . 4 兼容的实 时T C P / I P 协议 栈。 与 其它 实时网 络协议栈比 较起来， 此协议栈具有性能优越、编程方便、 协议完备、裁剪灵活和不断发展等诸多优点。但是，由于介绍V x W o r k s 网络协议栈的资料十分有限， 而且论述也不详细， 所以在实际的网 络开发与应用中必然面临许多的困 难。 本论文就是针对V x W o r k s 的在网络通信方面的应用进行阐述，旨在更好的利用V x W o r k s 进行网络应用的开发。在本篇论文中， 首先作者
3、对V x W o r k s 的内核W i n d 的基本部分进行了论述， 分析了它的任务调度、 存储器管理、 中断机制、 任务通信与同步， 并在分析的基础上概括了W i n d 内核设计的特点。在论文的第二部分， 针对V x W o r k s 的网络协议栈进行了介绍， 内容主要包括:协议栈的配置与裁剪、 协议栈中主要协议的实时性讨论、 网络协议栈的静态内存分配与数据管理和如何实现对数据访问的零拷贝技术的。在论文的 最后部分， 作者围 绕本课题所要实现的V x W o r k s 操作系统间的网 络通信展开，内容涉及: 在实时通信中， 以太网所面临的实时性和可靠性问题，并提出了相应的解决办法
4、、E N D网卡驱动程序的设计、V x W o r k s 操作系统网络应用程序的编写、并且作者还对实时U D P 月P 协议的设计原理进行了详细分析。I 关 键词l 实 时 操作系统， V x W o r k s , W i n d . T C P / I P 协议栈硕士学位论文嵌入式操作系统 V x W o r k s 下的网络通信I m p l e m e n t a t i o n o f t h e N e t w o r k C o m m u n i c a t i o n i n E m b e d d e dO p e r a t i n g 即s t e m - - V x
5、 Wo r k sA b s t r a c tV x W o r k s i s a h i g h - p e r f o r m a n c e , m i c r o - k e rne l a n d s c a l a b l e R e a l - t i m e O p e r a t i n g S y s t e m d e v e l o p e d b y W i n d R i v e r S y s t e m I n c . A t p r e s e n t , i n t h e R e a l - t i m e O p e r a t i n gS y s
6、 t e m s o f m o r e t h a n 2 0 0 k i n d s a l l o v e r t h e w o r l d , V x Wo r k s i s t h e m o s t f a m o u s a n de x t e n s i v e . O n t h e A me r i c a n m a r k e t , V x Wo r k s r i g h t k e e p t h e n u m b e r o n e o f r e a l - t i m eO p e r a t i n g S y s t e ms i n r e c
7、 e n t y e a r s . . O n e o f t h e r e a s o n s t h a t V x Wo r k s i s s o p o p u l a r i sp r e d o m i n a n t p e r f o r m a n c e i n r e a l - t i m e c o m mu n i c a t i o n . I t s n e t w o r k s p e e d a n d t h r o u g h o u t k e e p a l e a d i n g l e v e l . V x W o r k s i s
8、f i s t r e a l - t i m e o p e r a t i n g a d d i n g T C P / I P s t a c k i n i t s e l f . Mo r e o v e r , t h e p r o t o c o l s t a c k i s c o m p a t i b l e w i t h t h e n o r m a l B S D 4 . 4p r o t o c o l . C o m p a r e d w it h o t h e r p r o t o c o l s t a c k , i t h as m a n
9、y a d v a n t a g e s , s u c h a sh i g h - p e r f o r m a n c e , fl e x i b i l i t y , s c a l a b i l it y e t c . B u t o w i n g t o l a c k o f d a t a , i n a c t u a l n e t w o r k d e v e l o p m e n t a n d a p p l ic a t i o n , t h e r e e x i s t s o m e d i ff i c u l t p r o b l e
10、 m s . T h e t h e s i s p u t f o r w a r d t o i t s v i e w p o i n t a i m m i n g a t n e t w o r k a p p l i c a t i o n o f V x Wo r k s . I t s p r i m a r yp u r p o s e i s b e tt e r u s i n g V x Wo r k s f o r n e t w o r k d e v e l o p m e n t .T h e f i r s t p a r t o f t h e t h e
11、s i s h as a d i s c u s s i o n a b o u t k e rne l o f V x W o r k s . A u t h o ra n a l y s e s i t s m u l t i t as k s c h e d u l i n g , m e m o ry m a n a g e m e n t , in t e r r u p t i o n m e c h a n i s m a n dc o m m u n i c a t i o n. 编写基于V x Wo r k s 的网卡驱动程序并对其进行测试;. 对V x W o r k s
12、操作系统及其网 络协议栈进行裁剪， 以 便适应嵌入式系统对内第 2 页硕士学位论文嵌入式操作系统V x W o r k s 下的网络通信存容量的要求:. 编写基于U D P / I P 协议的网络应用程序，实现V x W o r k s系统间的网络通信。1 . 3论文概览第一章 介绍了本课题研究的意义和所要完成的内 容。第二章 V x W o r k s 操作系统的内核W i n d 的介绍和特点讨论。第三章 对V x Wo r k s网络协议栈中的主要协议进行了介绍，讲解了它们的裁剪和配置方法， 对A R P , I P , U D P 和T C P 协议进行了实时性的讨论。第四章 分析了以
13、太网技术，着重分析了以太网用于实时通信所面临的问题，并提出了从硬件到软件的解决方法。第五章 分析V x W o r k s 的网络协议栈的内存分配和数据管理机制。第六章 针对具体的网卡硬件，设计了V x Wo r k s 系统下的网卡驱动程序，对网卡驱动程序中设计的问题进行了详细的讨论。第七章 介绍了本实验所采用的网络协议的实现原理， 对组成协议的各功能梭块进行了详细的分析、给出了程流图。第八章 介绍了V x W o r k s 网络编程中的B S D套接字和Z B U F 套接字。第九章 实验第 3页硕士学位论文嵌入式操作系统V x W o r k s 下的网络通信第二章 对 V x W o
14、 r k s 操作系统内核( W i n d ) 的讨论嵌入式操作系统一般由内核和相应的模块 ( 如1 / O系统，网络协议栈等) 构成，一个优秀的内核设计是整个操作系统的性能的 保障。 本章对V x W o r k s 操作系统的内核( W i n d ) 的主要组成部分 任务调度、中断管理、任务通信与同步和存储器管理进行讨论， 通过这些讨论使我们能够更深的体会到V x W o r k s 操作系统所表现出来的实时性、可靠性和灵活性等特点。2 . 1任务调度在当前的嵌入式应用中，尤其是对一个复杂的嵌入式应用而言，用单一任务来实现是不可能的，而只能采用多任务来实现，所以任务调度策略的优劣在系统
15、中起着至关重要的作用。Wi n d 提供了两种调度策略:基于优先级抢占式调度法和时间片轮转调度法。其中基于优先级的抢占式调度法是缺省的调度方法。2 . 1 . 1基于优先级的抢占 式调度法这一 调度策略为每一个任务分配一个唯一的优先级，从而保证将C P U分配给最高优先级的任务，如果有一个任务所具有的优先级别高于正在运行的任务的优先级别，并且己 经处于运行状态，则将当前正在运行任务切换到就绪队列上，而让高优先级的任务运行。Wi n d内核管理的优先级别有2 5 6 级， 从0 到2 5 5 . 0 级最高， 2 5 5 级最低。每个任务在创建时，被指定一个优先级，然而在运行过程中，我们可以使用
16、函数t as k P r i o r i t y S e t o 改变其优先级别。 这样一种动态改变任务优先级的功能就为优先级抢占调度算法提供了一种灵活性，从而能够方便地对应用程序中的突发事件做出灵活的反应，这种能力对于实时性嵌入式应用是十分重要的。优先级抢占调度策略如图2 - 1 所示。2 . 1 . 2时间片轮转调度法优先级抢占调度的能力可以用轮转调度来增强，在轮转调度中C P U可以被具有相同优先级的 任务共享， 这种共享方法就是众所周知的按时间片来分配C P U ,也就是同 一优先级的一 组任务中的每一个任务都w .定占 有一定的时间， 即时间片。第 4贞硕 t : 学位论文嵌入式操作系统V x W o r k s 下的网络通信每一个任务都在时间片内 运行，并且以 相同的时间来轮转。 在轮转调度中，使用函数t a s k T i n e S l i c e ( ) 来指定时间片的 长短，轮转调度的 情况如图2 - 2 所示可以优先级低个 表 示 抢 占 表 示 任 务 完 成图2 - 1优先级抢占调度法优先级. 一一 - - 一 - 一 一 一 一 奋 注 : 个
