基于Forth虚拟机的嵌入式多任务操作系统体系架构研究

面对越来越复杂的嵌入式应用需求以及当今嵌入式操作系统研究领域亟待解决的重构、移植、维护、可信、多核、众核等诸多难题,采用Forth虚拟机技术,对基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统关键技术进行探索,提出一种具有良好扩展和移植特性、高效精简的基于Forth虚拟机的嵌入式多任务操作系统体系架构。该架构采用分类存储映射、Forth向量定义和用户变量分离,实现了代码共享和多任务管理。实验结果表明,基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统在发挥Forth系统固有特性的同时,减少了资源占用,提高了系统的灵活性及运行效率。     

嵌入式Forth操作系统实时调度算法研究

针对目前嵌入式Forth操作系统中缺乏实时调度机制的问题,对基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统中多任务调度的关键技术进行了研究。采用Forth虚拟机技术,新定义了一种中断任务类型来处理实时突发事件,并给出了一种新的任务调度算法来调度 Forth系统中终端任务、后台任务以及中断任务顺利运行。实验结果表明,改进后的 Forth 系统能够通过实时调度处理突发事件,并且实时响应度高,尤其适用于对实时性有要求的嵌入式环境中,以满足日趋复杂的嵌入式环境对高效操作系统和 Forth 技术的应用需求。     

嵌入式Forth操作系统多任务空间复用算法

针对现有嵌入式Forth操作系统多任务空间无法复用且多任务管理仅支持任务创建的问题,提出一种基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统多任务空间复用算法。将任务控制块作为空闲任务映像分区链表头结点,利用任务控制块中的链接地址变量维护系统删除的后台任务映像,且仅需修改一个用户变量指针即可实现任务映像空间的回收和重分配。实验结果表明,该算法在保证Forth系统稳定及其固有特性的同时,提高了Forth系统内存资源利用率,适用于资源有限的嵌入式环境。     

基于堆栈处理器的实时多任务调度机制研究与实现

针对堆栈处理器特殊架构,为提高实时性,引入多任务堆栈技术,采用Forth自生成器技术,提出一种基于堆栈处理器的抢占式与时间片轮转调度方法,实现了在Forth堆栈处理器中实时多任务的运行,弥补了Forth堆栈处理器在实时多任务操作系统方面的的不足.实验表明,与当前基于寄存器处理器的嵌入式Forth实时系统相比,本文方法在最大关中断时间、任务上下文切换时间和任务响应时间三项重要的实时任务性能指标方面,实时性能有明显提升,从而保证了Forth系统应用的高效性和安全性,满足人们对Forth堆栈处理器实时多任务操作系统方面的应用需求.     

基于Forth虚拟机的嵌入式多核任务调度研究

由于传统多核任务调度系统对于突发事件的处理,都是基于CPU进行调度的,严重影响了操作系统中任务切换的实时性.于是提出一种基于Forth虚拟机架构的嵌入式多核任务调度系统.为了保证Forth操作系统兼容轮询调度,根据突发事件创建中断任务,并与相应的任务执行程序建立连接.依据中断、终端和后台三种任务间的关联构建循环链表.最后,当突发事件触发中断任务就绪后,Forth系统将调度中断任务去执行突发事件,当中断任务程序运行完毕后,系统继续执行当前任务,执行到原语pause时,当前任务的用户变量将寻找下一任务的TCB首地址,直到所有任务执行完毕.实验结果表明,改进后的Forth虚拟机操作系统响应速度良好,不受任务数量影响,且系统等待时间明显降低,说明所设计的Forth虚拟机操作系统具有良好的多核任务调度性能.     

快速低切换开销的堆栈处理器架构研究与实现

为解决当前Forth堆栈处理器架构不支持多任务并发和事件实时响应等问题,提出一种快速低切换开销的Forth堆栈处理器架构。在现有Forth堆栈处理器架构的基础上,引入新的指令、定时器、中断机制以及采用多任务堆栈技术,使得该架构支持实时多任务的运行。实验结果表明,基于堆栈处理器架构的Forth实时多任务调度支持多任务运行,与当前基于寄存器处理器的Forth实时多任务调度相比,实时任务响应、任务上下文切换和最大关中断等时间均明显缩短。     

VMSF—一种内核级虚拟机监控器调度框架

虚拟化技术由于具有提高资源利用率、降低系统总体拥有成本等优点得到越来越多的关注。虚拟机成为计算机系统的一种新型应用模式,但虚拟机应用在服务质量保证和协同运行等方面与传统商用操作系统面向的应用不同,虚拟机监控器应针对此类应用的特点设计相应的调度算法。但是,在传统基于宿主操作系统的虚拟化技术中,虚拟机的调度由宿主操作系统的标准调度器完成。本文提出一种不修改宿主操作系统现有调度机制的虚拟机调度扩展框架VMSF,该框架允许第三方自行开发适于虚拟机系统的调度算法。最后通过在Linux上开源的内核级虚拟机监控器KVM上移植Xen的Credit调度器验证了本文研究的有效性。     

嵌入式操作系统混合任务调度技术与策略研究

针对当前嵌入式系统中时间触发与事件触发混合任务的特点,以μC/OS-II操作系统架构为基础,设计了一种能够同时支持时间触发与事件触发的混合操作系统内核架构。该架构符合OSEK/VDX标准,具有良好的可移植性。针对混合任务调度问题,提出了一种静态周期性可抢占式混合任务调度策略,该策略同时支持中断级与任务级的任务切换,并采用EDF（最早截止时间优先）算法对被抢占的时间触发任务进行恢复,相比OSEKtime OS只能在中断级进行任务切换以及FIFO（先进先出）恢复算法,能够提高系统资源利用率,并最大限度保证任务实时性。实验分析结果表明,所设计的混合操作系统架构移植方便,所提出的混合任务调度策略可行有效,调度过程具有良好的可预测性。     

用户级多任务的两种实现方法

在分析了系统级多任务需要哪些硬件支持的基础上。提出了进程扩展型虚拟机和指令解释器型虚拟机的概念，给出这两种虚拟机如何模拟支持多任务的硬件机制的方法，以及在虚拟机上建立和切换多个任务的方法，该技术可以用于在上述两类虚拟机上构建自己的支持多任务的操作系统内核．     

多核环境下虚拟机VCPU调度研究:问题与挑战

虚拟机VCPU调度策略和机制是影响虚拟机系统性能的关键因素.由于虚拟机系统改变了传统的软件栈结构,简单地将传统操作系统中所采用的调度策略和算法移植到虚拟机监视器层用于虚拟机VCPU的调度,会导致虚拟机系统性能的偏离甚至严重下降,虚拟机系统下层的物理处理器采用多核结构更增加了虚拟机VCPU调度的复杂性.详细介绍并分析了虚...     

A transformation approach to derive efficient parallelimplementations

The construction of efficient parallel programs usually requires expert knowledge in the application area and a deep insight into the architecture of a specific parallel machine. Often, the resulting performance is not portable, i.e., a program that is efficient on one machine is not necessarily efficient on another machine with a different architecture. Transformation systems provide a more flexible solution. They start with a specification of the application problem and allow the generation of efficient programs for different parallel machines. The programmer has to give an exact specification of the algorithm expressing the inherent degree of parallelism and is released from the low-level details of the architecture. We propose such a transformation system with an emphasis on the exploitation of the data parallelism combined with a hierarchically organized structure of task parallelism. Starting with a specification of the maximum degree of task and data parallelism, the transformations generate a specification of a parallel program for a specific parallel machine. The transformations are based on a cost model and are applied in a predefined order, fixing the most important design decisions like the scheduling of independent multitask activations, data distributions, pipelining of tasks, and assignment of processors to task activations. We demonstrate the usefulness of the approach with examples from scientific computing     

实时性分布嵌入式系统设计

分布嵌入式系统的应用通常具有实时性要求，其实时性需要从任务调度、通信协议、调用接口和嵌入式操作系统四个方面得到支持。采用两阶段调度策略既可以保证调用的透明性，又可以简化任务调度算法；基于优先级的线路竞争算法可以改进以太网使其符合实时性要求；采用微型Java虚拟机作为分布式中间件可以为系统调用接口提供一个统一的支持平台。     

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.     

Architecture Independent Characterization of Embedded Java Workloads

This paper presents architecture independent characterization of embedded Java workloads based on the industry standard GrinderBench benchmark which includes different classes of real world embedded Java applications. This work is based on a custom built embedded Java virtual machine (JVM) simulator specifically designed for embedded JVM modeling and embodies domain specific details such as thread scheduling, algorithms used for native CLDC APIs and runtime data structures optimized for use in embedded systems. The results presented include dynamic execution characteristics, dynamic bytecode instruction mix, application and API workload distribution, object allocation statistics, instruction-set coverage, memory usage statistics and method code and stack frame characteristics.     

UC／OS-II操作系统内核的改进

UC／OS—II是一种针对嵌入式设计的实时多任务操作系统，采用基于优先级的占先式任务调度算法，虽然效率高但比较单调。在实现TCP/IP协议中，这种内核调度方法对Intemet服务进程显得不适应。本文分析了UC／OS—II和Linux操作系统内核任务调度算法，在此基础上提出了一种改进UC／OS-II内核的方法，使其更适合于在嵌入式中实现Intemet服务。