实时嵌入时Linux的设计与实现
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摘要
随着信息技术与网络技术的高速发展，嵌入式系统越来越受到人们的重视，它被广泛地应用于科学研究、工程设计、军事技术、消费电子等方方面面。同时，嵌入式系统正变得越来越复杂，在嵌入式系统中添加嵌入式操作系统以显得越来越重要。
由于Linux的迅速发展和Linux的开放源代码、具有精巧高效的内核、可裁减性好、易于开发和使用以及适应多种CPU和多种硬件平台等优点，基于Linux的嵌入式实时操作系统的应用研究得到广泛关注。但是，由于Linux在中断机制、定时器和进程调度等方面的特点，使其在实时性方面存在很多问题，对Linux进行实时性改造是嵌入式Linux设计中的一个相当重要的问题。
本文首先介绍了嵌入式系统和嵌入式操作系统的一些概念，以及嵌入式Linux设计中需要解决的一些问题。然后，针对Linux在实时性方面存在的问题，采用标准Linux内核和实时内核两者相结合的方案设计了一个实时嵌入式Linux，其中Linux内核作为一个优先级最低的任务运行在实时内核上，负责普通Linux非实时任务：而实时内核则处理实时事件的响应。接着，论文详细介绍了嵌入式Linux在软盘上模拟实现的具体步骤，包括Linux内核的裁剪与编译、最小文件系统的构造和嵌入式Linux系统软盘的创建；同时对所实现的嵌入式Linux的实时性能进行了测试。最后，论文介绍了基于嵌入式Linux在网络方面的应用：路由器和防火墙，实现了路由功能、IP伪装功能和对网络的访问控制功能，并对所实现的功能进行了测试。
With the rapid development of information technology and computer network, embedded system is more and more important. At present, embedded system has been widely used in science research, engineering, military and consumer electronic, etc. At the same time, embedded system is increasingly complicated, and it is desirable to insert embedded operation system into embedded system. Linux is a popular open-source operating system. It has an efficient, tiny and modifiable kernel. It is easy to develop and sustains most of the embedded CPU and hardware platform. Linux has been modified to become an embedded operating system, and is widely used and researched. However, Linux has many problems in real-time performance, caused by some properties of Linux, such as interrupt, timer and process scheduler. Therefore, it is one of the most important tasks to improve the real-time capability of embedded Linux. This paper first introduces some basic ideas of embedded system and embedded RTOS. Then illustrate in d
etail the design of real-time embedded Linux, which is composed of real-time kernel module and standard Linux kernel. Standard Linux kernel has lowest priority, it take control of none real-time task of Linux, while the real-time kernel processes real-time tasks. Next, the paper introduces the steps to set up such an embedded Linux in floppies and how to test real-time performance. Finally, introduces some applications of real-time embedded Linux in network, including Router and Firewall.
由于Linux的迅速发展和Linux的开放源代码、具有精巧高效的内核、可裁减性好、易于开发和使用以及适应多种CPU和多种硬件平台等优点，基于Linux的嵌入式实时操作系统的应用研究得到广泛关注。但是，由于Linux在中断机制、定时器和进程调度等方面的特点，使其在实时性方面存在很多问题，对Linux进行实时性改造是嵌入式Linux设计中的一个相当重要的问题。
本文首先介绍了嵌入式系统和嵌入式操作系统的一些概念，以及嵌入式Linux设计中需要解决的一些问题。然后，针对Linux在实时性方面存在的问题，采用标准Linux内核和实时内核两者相结合的方案设计了一个实时嵌入式Linux，其中Linux内核作为一个优先级最低的任务运行在实时内核上，负责普通Linux非实时任务：而实时内核则处理实时事件的响应。接着，论文详细介绍了嵌入式Linux在软盘上模拟实现的具体步骤，包括Linux内核的裁剪与编译、最小文件系统的构造和嵌入式Linux系统软盘的创建；同时对所实现的嵌入式Linux的实时性能进行了测试。最后，论文介绍了基于嵌入式Linux在网络方面的应用：路由器和防火墙，实现了路由功能、IP伪装功能和对网络的访问控制功能，并对所实现的功能进行了测试。
With the rapid development of information technology and computer network, embedded system is more and more important. At present, embedded system has been widely used in science research, engineering, military and consumer electronic, etc. At the same time, embedded system is increasingly complicated, and it is desirable to insert embedded operation system into embedded system. Linux is a popular open-source operating system. It has an efficient, tiny and modifiable kernel. It is easy to develop and sustains most of the embedded CPU and hardware platform. Linux has been modified to become an embedded operating system, and is widely used and researched. However, Linux has many problems in real-time performance, caused by some properties of Linux, such as interrupt, timer and process scheduler. Therefore, it is one of the most important tasks to improve the real-time capability of embedded Linux. This paper first introduces some basic ideas of embedded system and embedded RTOS. Then illustrate in d
etail the design of real-time embedded Linux, which is composed of real-time kernel module and standard Linux kernel. Standard Linux kernel has lowest priority, it take control of none real-time task of Linux, while the real-time kernel processes real-time tasks. Next, the paper introduces the steps to set up such an embedded Linux in floppies and how to test real-time performance. Finally, introduces some applications of real-time embedded Linux in network, including Router and Firewall.
引文
[1]Andrew S.Tanenbaum, Albert S.Woodhull. Operating Systems Design and Implementation ( Second Edition).清华大学出版社，1997年9月
[2]DANIEL P．BOVET and MARCO CESATI．深入理解LINUX内核．中国电力出版社，2001年6月
[3]Peitel Harvey M. An Introduction to Operating Systems. Addison-Wesley,1983
[4]Shaw Alan C. The Logical Design of Operation Systems. Prentice-Hall, 1974
[5]Davis William S. Operating System: An Systematic View(Second Edition). Addison-Wesley, 1983
[6]Tanenbaum A S. Operating System Design and Implemention. Prentice-Hall, 1987
[7]Seonsoo Hong. Embedded Linux Outlook in the PostPC Industry. ISORC'03
[8]Alex lennon. Embedding Linux. Embedded Systems, 2001.5
[9]Alasdair Kemp. Embedded Systems: The Other Problem. Computers & Security,1977(16)
[10】李善平，刘文峰等．Linux内核2.4版源代码分析大全．机械工业出版社，2002年1月
[11]Jerry Epplin.Linux as an Embedded Operating System. http:// www.embedded.com/97/fe39710.htm
[12】桑楠．嵌入式系统原理及应用开发技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[13】Wayne Wolf．嵌入式计算系统设计原理．北京：机械工业出版社，2002
【14]王学龙．嵌入式Linux系统设计与应用．北京：清华大学出版社，2001
[15]李善平，刘文峰．Linux与嵌入式系统．北京：清华大学出版社，2003
[16]王田苗．嵌入式系统设计与实例开发．北京：清华大学出版社，2002
[17】郭玉东．Linux操作系统结构分析．西安电子科技大学出版社，2002
[18]邹思铁．嵌入式Linux设计与应用．清华大学出版社，2002
【19】陈莉君．Linux操作系统内核分析．北京：人民邮电版社，2000
[20]张宏海．嵌入式实时操作系统ZERT-Linux的设计与实现．西南交通大学学位论文，2003
[21]曹计昌，余隽．关于提高Linux核心实时处理能力的讨论．计算机应用，
2001．1
【22】屈振新，曾庆伟，韩波．嵌入式操作系统核心的设计与实现．计算机工程与应用，2002-9
[23]陈智文，王总辉．嵌入式实时系统RTLINUX的实时和测试．计算机工程与应用，2001．19
[24]郭东航．一种实时调度算法及在RTLinux中的实现．计算机工程与应用，2002．09
[25]涂碧波，李胜利．一种增强Linux性能的技术．华中科技大学学报，2001．12
[26]肖瀛，芦东昕，朱佐亮，白英杰．减小Linux调度延时的分析．计算机工程．2003．12
【27]钟汉如，王创生．嵌入式的中断处理与实时调度的实现机制．计算机工程．2002．10
【28】钟小玲，袁宏春．Linux的进程调度．计算机应用．2002．1
[29]金西，黄汪．嵌入式Linux及其关键技术．微型机与应用，2000．11
【30]齐俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬实时性的研究与实现．计算机应用，2003(6)
[31】Kurt Wall．GNU／Linux编程指南．北京：清华大学出版社，2000
[32】R．Petersen Richard．Linux编程命令详解．北京：电子工业出版社，2001
[33】MatthewN，StonesR．Linux程序设计．北京：机械工业出版社，2002．1
[34】DOUGLAS E．COMER用TCP／IP进行网际互连(第一卷)．电子工业出版社 1998年4月
[35】Maurice J．Bach．UNIX操作系统设计．北京大学出版社，1989年
【36]W．Richard Stevens．UNIX环境高级编程．机械工业出版社，2002年1月
[37]W.Richard Stevens. TCP/IP Illustrate, Volume 1:The protocols. Addison Wesley Publishing Company, 1994
【38]许宏松等．Linux应用程序开发指南：使用Gtk+／Gnome库．机械工业出版社，2000年
【39]谢希仁．计算机网络．北京：电子工业出版社，1994．10．
【40]坦尼伯姆．计算机网络(第三版)．北京：清华大学出版社，1998，7
【41】巴耳，于志宏．C／C++嵌入式系统编程．北京：中国电力出版社，2001．3
【42]Ogletree Terry Willian．防火墙原理与实施．北京：电子工业出版社，2001．11
【43]ZiegleraRobert．Linux防火墙．北京：人民邮电出版社，2000．11
[44]美国Dreamtech软件研发组．嵌入式系统编程源代码解析．北京：电子工业出版社，2002
[45】ZurellKirk．嵌入式系统的C程序设计．北京：机械工业出版社，2002
[46]赵蔚．自己动手做一个迷你Linux系统．http://www-900.ibm.com/developerworks/cn/linux/embed/diy
[47]Darrick Addison. Embedded Linux Application:An overview. http://www-900.cn.ibm.com/devloperWorks/cn/linux/embl/
[48]http://www.linuxjournal.com/
[49]http://www.uclinux.org/
[50]http://www.linuxaid.com.cn
[51]http://www.linuxeden.com/
[52]http://linux fans.org/
[53]http://www.kernel.org/
[54]http ://www.busybox.net/.
[55]http://spblinux.sourceforge.net/
[56]http://www.linux.org/docs/ldp/howto/Bootdisk-HOWTO/
[57]Love R M. Linux Preemption-patch Kernel.http://www. tech9.net/rml/linux/
[58]Molnar I. Linux Low-latency Patch. http://people.redhat.com/mingo/lowlatency.patches/
[2]DANIEL P．BOVET and MARCO CESATI．深入理解LINUX内核．中国电力出版社，2001年6月
[3]Peitel Harvey M. An Introduction to Operating Systems. Addison-Wesley,1983
[4]Shaw Alan C. The Logical Design of Operation Systems. Prentice-Hall, 1974
[5]Davis William S. Operating System: An Systematic View(Second Edition). Addison-Wesley, 1983
[6]Tanenbaum A S. Operating System Design and Implemention. Prentice-Hall, 1987
[7]Seonsoo Hong. Embedded Linux Outlook in the PostPC Industry. ISORC'03
[8]Alex lennon. Embedding Linux. Embedded Systems, 2001.5
[9]Alasdair Kemp. Embedded Systems: The Other Problem. Computers & Security,1977(16)
[10】李善平，刘文峰等．Linux内核2.4版源代码分析大全．机械工业出版社，2002年1月
[11]Jerry Epplin.Linux as an Embedded Operating System. http:// www.embedded.com/97/fe39710.htm
[12】桑楠．嵌入式系统原理及应用开发技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[13】Wayne Wolf．嵌入式计算系统设计原理．北京：机械工业出版社，2002
【14]王学龙．嵌入式Linux系统设计与应用．北京：清华大学出版社，2001
[15]李善平，刘文峰．Linux与嵌入式系统．北京：清华大学出版社，2003
[16]王田苗．嵌入式系统设计与实例开发．北京：清华大学出版社，2002
[17】郭玉东．Linux操作系统结构分析．西安电子科技大学出版社，2002
[18]邹思铁．嵌入式Linux设计与应用．清华大学出版社，2002
【19】陈莉君．Linux操作系统内核分析．北京：人民邮电版社，2000
[20]张宏海．嵌入式实时操作系统ZERT-Linux的设计与实现．西南交通大学学位论文，2003
[21]曹计昌，余隽．关于提高Linux核心实时处理能力的讨论．计算机应用，
2001．1
【22】屈振新，曾庆伟，韩波．嵌入式操作系统核心的设计与实现．计算机工程与应用，2002-9
[23]陈智文，王总辉．嵌入式实时系统RTLINUX的实时和测试．计算机工程与应用，2001．19
[24]郭东航．一种实时调度算法及在RTLinux中的实现．计算机工程与应用，2002．09
[25]涂碧波，李胜利．一种增强Linux性能的技术．华中科技大学学报，2001．12
[26]肖瀛，芦东昕，朱佐亮，白英杰．减小Linux调度延时的分析．计算机工程．2003．12
【27]钟汉如，王创生．嵌入式的中断处理与实时调度的实现机制．计算机工程．2002．10
【28】钟小玲，袁宏春．Linux的进程调度．计算机应用．2002．1
[29]金西，黄汪．嵌入式Linux及其关键技术．微型机与应用，2000．11
【30]齐俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬实时性的研究与实现．计算机应用，2003(6)
[31】Kurt Wall．GNU／Linux编程指南．北京：清华大学出版社，2000
[32】R．Petersen Richard．Linux编程命令详解．北京：电子工业出版社，2001
[33】MatthewN，StonesR．Linux程序设计．北京：机械工业出版社，2002．1
[34】DOUGLAS E．COMER用TCP／IP进行网际互连(第一卷)．电子工业出版社 1998年4月
[35】Maurice J．Bach．UNIX操作系统设计．北京大学出版社，1989年
【36]W．Richard Stevens．UNIX环境高级编程．机械工业出版社，2002年1月
[37]W.Richard Stevens. TCP/IP Illustrate, Volume 1:The protocols. Addison Wesley Publishing Company, 1994
【38]许宏松等．Linux应用程序开发指南：使用Gtk+／Gnome库．机械工业出版社，2000年
【39]谢希仁．计算机网络．北京：电子工业出版社，1994．10．
【40]坦尼伯姆．计算机网络(第三版)．北京：清华大学出版社，1998，7
【41】巴耳，于志宏．C／C++嵌入式系统编程．北京：中国电力出版社，2001．3
【42]Ogletree Terry Willian．防火墙原理与实施．北京：电子工业出版社，2001．11
【43]ZiegleraRobert．Linux防火墙．北京：人民邮电出版社，2000．11
[44]美国Dreamtech软件研发组．嵌入式系统编程源代码解析．北京：电子工业出版社，2002
[45】ZurellKirk．嵌入式系统的C程序设计．北京：机械工业出版社，2002
[46]赵蔚．自己动手做一个迷你Linux系统．http://www-900.ibm.com/developerworks/cn/linux/embed/diy
[47]Darrick Addison. Embedded Linux Application:An overview. http://www-900.cn.ibm.com/devloperWorks/cn/linux/embl/
[48]http://www.linuxjournal.com/
[49]http://www.uclinux.org/
[50]http://www.linuxaid.com.cn
[51]http://www.linuxeden.com/
[52]http://linux fans.org/
[53]http://www.kernel.org/
[54]http ://www.busybox.net/.
[55]http://spblinux.sourceforge.net/
[56]http://www.linux.org/docs/ldp/howto/Bootdisk-HOWTO/
[57]Love R M. Linux Preemption-patch Kernel.http://www. tech9.net/rml/linux/
[58]Molnar I. Linux Low-latency Patch. http://people.redhat.com/mingo/lowlatency.patches/