基于嵌入式Linux系统的内核级线程库的研究与实现

在当前嵌入式系统应用中,性能问题一直是人们关注的重点.大多数嵌入式Linux应用往往运行在用户态,系统运行时需要经常在内核态和用户态之间反复切换,降低了关键业务的执行效率.以往的研究较少从内核态下的线程库出发来考虑性能优化的实现方法,影响了嵌入式系统的整体性能.对此,本文提出一种适用于嵌入式Linux系统的内核级线程库(LKTL),并且分析了实现的关键技术.LKTL提供了线程管理、信号量同步、内存的动态分配和回收、日志管理以及基本的GNU C库的功能,不但大大提高了应用程序的运行效率,还方便了应用程序的开发和移植.实验表明LKTL能够显著优化嵌入式Linux系统的整体性能.     

Linux下的DDR DIMM总线接口设备检测方法

DDR DIMM总线接口是当前普通PC中和CPU交换数据最快的接口，基于此接口开发设备必将有效提高设备的出口带宽。为了避免操作系统管理和使用DDR DIMM，使得用户程序可以通过DDR DIMM总线接口发送和接收数据，该文提出了一种基于Linux操作系统的实现方法。通过把DDR DIMM总线接口设备作为外部设备，将其内存空间映射到用户空间，用户应用程序可以直接访问设备内存。在参照Linux2.4.20-8内核源代码中有关数据结构和函数原形的基础上，编写和测试了DDR DIMM总线接口设备的驱动程序。     

基于缓存竞争优化的Linux进程调度策略

分析Linux经典内核版本2.6.22的进程调度算法,利用性能监测单元的监测信息,给出3个性能指标CMR、CRR、OCIP对进程的缓存竞争性强弱进行刻画,以此为依据,采用轮询算法优化Linux下的进程调度顺序,尽量避免在CPU上同时运行多个缓存竞争力强的进程,减小系统因缓存竞争产生的性能损耗.在benchmark上的测试结果表明,该方法能够提升系统在中、高负载下运行时的性能,在高负载下运行时的性能提升比例可达6％左右.     

Linux内核参数对Spark负载性能影响的研究

关于Spark性能的研究目前正在成为热点,但调优策略多位于应用层,而不是系统层。操作系统作为硬件之上的第一层软件,对硬件性能发挥起着根本作用。Linux内核提供了丰富的参数作为优化性能的接口,但实际中,这些参数的作用并没有得到充分发挥。人们更多是采用系统默认值,而不是根据具体环境进行调整。然而本文实验发现,系统默认值并不一定是最好的选择,有时甚至是最坏的。定义了"影响比"这一概念,并基于此概念提出了一种通过分析内核函数的执行情况来认识参数对Spark应用影响的方法。针对Spark内存计算的特点,从大页、NUMA这两个与使用内存紧密相关的方面分析了相关内核参数对几种典型Spark负载的性能影响,并由此得出一些结论。希望本文的分析和结论可以为Spark平台合理设置内核参数提供一些参考。     

基于Linux内核的网络性能优化

针对服务器的网络性能,提出并实现一种基于Linux内核的改进方案——ONPK。该方案通过减少系统调用和数据复制、改写网卡驱动来实现网络性能的优化。实验结果证明,该方案能明显改善服务器的网络性能,在保持发送速度有所提高的情况下,CPU的使用率平均可降低11%。     

采用统一接口采集Linux内核信息的方法研究

Linux操作系统本身为用户程序提供了大量接口用于采集内核信息，每一种类型的内核信息都有一个相应的接口。一个对Linux内核进行全面监控的监控系统需要采集大量的内核信息，这就需要调用大量的接口，这给监控系统带来了很大的复杂性。文中提出了一种采用统一接口采集内核信息的方法，并对其进行了研究与实现，采用这种方法。用户程序从同一个接口可以采集到所有的内核信息，简化了用户程序对内核信息的访问。     

基于Linux的软件DSM实现

分布式共享存储系统在分布式存储器的基础上构造逻辑上的共享存储模型。提出了在操作系统层实现分布式共享存储的系统框架，并以Linux操作系统为平台介绍了其实现。该系统提供简单的调用接口，并与Linux内存管理框架紧密结合。通过采用合适的DSM一致性协议提高了整体性能。     

基于Linux内核的流量分析方法

通过分析Linux操作系统数据包处理流程，提出了一种基于Linux内核的流量分析方法，采用该方法实现了基于Linux内核的流量分析模块KTAM。分析显示KTAM降低了系统调用和内存拷贝等开销，提高了流量分析性能，比基于Libpcap的工具能力提高近50％。     

Linux内核启动过程分析

结合Linux内核代码,分析了80x86平台上Linux操作系统内核的启动过程,特别对内核的动态加载、CPU工作模式的转换以及内存分页机制最终启动的全过程做了较为细致的阐述.该分析有助于更深入地了解Linux内核的工作原理和多任务操作系统的实现机理,是将Linux运用于嵌入式系统的前期工作.     

Linux下物理内存管理技术探讨

在Linux源代码分析的基础上,深入地探讨了在Linux下的物理内存管理技术.包括系统初化后的物理内存布局,内核态内存的申请与释放,用户态内存的申请与释放,并大致描述了生成一个新进程时物理内存的变化,最后指出了为提高效率而可采用的一些方法.     

基于嵌入式Linux的水位视频在线监测系统设计

为有效提高水位数据在线监测技术的自动化、智能化,针对当前传统水文仪器监测设备的微控制器(C51,MSP430及STM32等)主频低、智能性、鲁棒性差,以及水位监测数据的不精确、实时性差及成本高等问题,提出采用嵌入式Linux系统、图像处理及无线传输技术等实现水位数据在线自动监测。利用嵌入式Linux系统(Bootloader,Linux内核及Rootfs文件系统)定时控制网络摄像机获取高清图像,并在嵌入式Linux系统进行图像识别处理,将识别的水位信息和采集的图像通过无线模块传输至控制中心,以期实现水位视频在线监测与图像查询。该方法相比传统微控制器,具有监测水位数据处理速度更快、智能化程度更高、水位数据精度高、成本低实时性强等优点,并能够进一步推动水文仪器现代化建设发展。     

Linux集群实时监控系统的一种实现方法

随着云计算技术的日益发展, Linux集群以造价低廉、易于扩充等优势得到了愈来愈广泛的应用. 为了更好地发挥集群性能, 充分利用集群节点的资源, 对集群性能进行实时监控是很有必要的. 提出了一种Linux集群监控器设计与实现方法. 该方法通过每隔一段时间采集节点机/proc虚拟文件系统中的信息, 如CPU和内存使用情况等. 经过过滤后, 通过socket传输给监控服务器. 论文首先给出了监控器的总体设计方案, 整个监控系统由守护在管理节点上的信息管理服务器进程和运行在各个计算节点上的采集器进程组成. 然后分采集器和信息管理器两大部分, 分别介绍了其具体的设计框架和其采用的关键技术. 采集器分主要由信息采集、信息处理和信息传送3 个模块组成, 分别采用3 个线程来完成. 信息管理器采用了线程池技术, 用以接受采集器发送过来的传输请求. 实践证明, 该系统可以很好地满足实时监控Linux 集群性能的需要.     

基于特征尺度均衡的Linux系统双阈值任务调度算法

在嵌入式Linux操作系统的设计和应用中,操作系统经过移植后运行在不同的硬件平台上,它需要一种有效的任务调度算法来实现进程管理和内存管理,以提高系统运行效率.提出了一种基于特征尺度均衡的Linux系统双阈值任务调度算法,分析了嵌入式Linux的内核结构,构建了系统任务调度模型.该算法对以往各类型任务的到达频率、执行时间等信息流进行统计,并提取特征尺度,在Linux系统的全局任务调度中心将所有任务进行融合,输入系统总调度器,得到尺度优化目标函数,进行特征尺度均衡处理;把均衡后的特征尺度时间轴划分成各个相邻但不重合的任务匹配平滑窗口,通过双阈值权衡判决实现对Linux系统的任务调度.仿真结果表明,采用该算法进行Linux嵌入式任务调度,具有较高的执行效率,CPU利用率高,整体性能优于传统算法.     

Compatible byte-addressable direct I/O for peripheral memory devices in Linux

Memory devices can be used as storage systems to provide a lower latency that can be achieved by disk and flash storage. However, traditional buffered input/output (I/O) and direct I/O are not optimized for memory-based storages. Traditional buffered I/O includes a redundant memory copy with a disk cache. Traditional direct I/O does not support byte addressing. Memory-mapped direct I/O, which optimizes file operations for byte-addressable persistent memory and appears to the CPU as a main memory. However, it has an interface that is not always compatible with existing applications. In addition, it cannot be used for peripheral memory devices (e.g., networked memory devices and hardware RAM drives) that are not interfaced with the memory bus. This paper presents a new Linux I/O layer, byte direct I/O (BDIO), that can process byte-addressable direct I/O using the standard application programming interface. It requires no modification of existing application programs and can be used not only for the memory but also for the peripheral memory devices that are not addressable by a memory management unit. The proposed BDIO layer allows file systems and device drivers to easily support BDIO. The new I/O achieved 18% to 102% performance improvements in the evaluation experiments conducted with online transaction processing, file server, and desktop virtualization storage.     

Linux内核进程调度与控制的实现

首先分析了Linux系统的整体结构,阐明了进程调度与内存管理系统、文件系统和网络接口之间的关系,最后给出了Linux进程调度的原理、策略及其实现方法.     

基于Linux的CPLD在系统升级驱动程序设计

论述了通过微控制器实现CPLD在系统升级的方法。以AT91SAM9260CPU为硬件平台,以Linux2.6.30内核为系统软件平台,基于Xilinx官方JTAG状态机实现源码,编写了CPLD在系统升级的Linux驱动程序。并将驱动以模块加载的方式成功加载进了Linux内核。编写驱动测试程序并调试,结果表明,系统能正常执行xsvf文件,实现在系统升级CPLD。     

一种基于Linux的网络备份系统的设计与实现

提出并实现了一种基于Linux的网络备份系统,该系统在物理层实现了对数据的远程同步或异步备份。系统在Linux操作系统中以内核模块的方式运行,对应用程序透明,不影响原操作系统的稳定性;针对Linux的内核存储机制,在内核设备驱动层的入口处进行备份数据的网络传输,此设计支持Linux内核支持的所有存储介质和文件系统。     

嵌入式Linux下JFFS2文件系统的实现

文件系统是操作系统的重要组成部分之一,它为操作系统内核提供了存储和管理数据的机制,并为用户程序提供了对数据的访问接口。嵌入式文件系统不仅要具有一般文件系统的功能,还要满足嵌入式系统的特殊要求。JFFS2文件系统就是专门针对在嵌入式系统中得到广泛应用的Flash存储器而设计的,能很好地满足嵌入式系统的各项要求。文中介绍了嵌入式Linux系统下的Flash存储器和日志文件系统,并结合一个具体的实验平台,给出了JFFS2文件系统的移植和实现过程。通过在嵌入式Linux下使用JFFS2文件系统,可以为应用程序的开发奠定良好的基础。     

复内核操作系统文件系统的设计与实现

随着云计算、大数据进一步的发展,促使提供计算服务的单个节点的硬件性能不断的提升,但数据中心资源利用率较低,且可扩展性较差的问题始终存在。人们试图从各个方面解决这个问题。复内核操作系统Popcorn Linux就是其中一个比较典型的解决方案。文件系统作为操作系统的重要组成部分,直接影响着数据中心应用的执行效率。传统的文件系统因为磁盘控制器的原因,无法移植到复内核操作系统上,从而难以满足新形势下的需求。针对这个问题,提出了一种全新的适用于复内核操作系统的文件系统POPFUSE。该文件系统基于FUSE框架实现,解决了因磁盘控制器有限,多个内核实例无法同时访问磁盘资源的问题,通过共享内存的方式,保证了通信的稳定,提高了文件系统的效率,进而促进了多个内核的操作系统整体性能的提升。