嵌入式操作系统在分布式系统中的设计与推广

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论文字数:42555 论文编号:sb2021121910410441339 日期:2021-12-21 来源:硕博论文网
本文是一篇计算机操作系统论文,本文设计的多嵌入式系统本身就是一个较新的概念,涉及到分布式系统与嵌入式系统。为此,多嵌入式系统上的分布式操作系统在被设计时就涉及到嵌入式实时操作系统与分布式操作系统这两个概念,在一个嵌入式节点的实时内核上就必须兼顾这两个操作系统的必要功能,使它能得以完成嵌入式且分布式的操作系统基本功能。

第一章  绪论

1.1  研究背景与意义
如今的时代早已是后 PC(Post-PC)时代,不仅数字信息技术发展势头迅猛,网络技术也取得了长足的进步。时至今日,嵌入式已在社会上的各个领域之中得以广泛应用[1],具体包括:(1)  科学研究领域;(2)  军事技术领域;(3)  工程设计领域等,甚至在日常生活中的各个方面都可见其相关应用;系统是建立在计算机技术基础上的,并基于“应用”这一中心的特殊计算机系统之一,软硬件均可对其进行裁剪,对于应用系统在功能、成本、功耗、体积及可靠性等各个方面提出的高要求,它都可以很好地适应。在国内外各类嵌入式产品的不断开发与推广过程中,嵌入式技术也随之逐渐融入到人们的日常生活之中。尤其是在人们在生产效率和生活质量上的要求与日俱增的情况下,他们更期待信息服务使用过程的便捷性。此时,嵌入式系统就应运而生了。这一系统的应用可为人们实现一系列复杂功能提供极大的便利,如今已在工业控制、智能家居和汽车电子等各个领域之中得以应用。
一般情况下,嵌入式系统之间是彼此独立的关系,几乎无法实现彼此间的资源共享,更无法彼此协作共同完成某一项计算任务[2]。面对这一方面的问题,可通过分布式技术来加以有效解决。但值得注意的是,在分布式的特殊环境之下,要真正满足使用者的实际需求,就必然要求嵌入式设备协同工作。正因如此,在分布式计算的快速发展过程中,嵌入式技术的研究内容发生改变,将研究重点放在了嵌入式系统的分布式协作上。 在此,谨将“多嵌入式系统”定义如下:它是一种专门为分布式环境下复杂多任务计算而生的分布式系统,无论是在计算系统结构,还是功能方面的要求,均与分布式计算提出的要求相符,其构成部分主要为若干嵌入式系统[3]。 
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1.2  国内外研究现状
国内外对分布式系统的多嵌入式系统相对研究极少,相对来说,对嵌入式系统和分布式系统分别研究的比较多。 在分布式和嵌入式结合的研究比较有名的较少,其中较具代表性的有:
(1)  Nikilesh  Balakrishnan 等人[4]在短时间内完成了一套高性能、低功耗的多嵌入式计算系统的构建工作,其主要组成部分有二:其一为 Pandaboard ES boards,共计 6 块;其二为 Raspberry  Pi  boards,共计 2 块。在具体的研究过程中,选择一个完整的工程项目为研究对象,侧重于测试其系统功耗、通信带宽等一系列相关因素,然而,它并未将分布式操作系统方面的问题考虑在内
(2)  西班牙 Nikola  Rajovic 等人[5]则在嵌入式 CPU、GPU 的基础上之上,充分结合Nvidia Tegra2 SoC,顺利完成了未来 HPC 系统的研发和测试工作。但从根本上来说,系统属于超级计算系统,而且系统中运行的操作系统也是属于中大型的 Linux 操作系统,并非微小型的嵌入式操作系统。
(3)  计算机软件新技术国家重点实验室的范贵生等人[6]利用无线传感网络将物联网的各个设备连接起来,构成分布式嵌入式系统,并以此分析系统的能耗问题。不过,工作上主要为系统制定动态能耗策略,对于整个系统的调度方面并没有进行深入研究。
(4)  北京机电工程研究所的佟佳慧等人[7]面对物联网设备的新需求,对方面的考虑下,设计了一个基于分布式和嵌入式节点的实时仿真平台,其架构在网络环境下实时性非常良好。然而,一方面其研究主要局限于武器装备的保障体系,设计研究的系统具有机密性,不能推广于社会;另一方面其研究为单个嵌入式系统内多核之间的调度,并非多个嵌入式系统之间所构成的系统内的调度研究,在概念上有一点区别。
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第二章  相关理论与软硬件平台介绍

2.1  分布式系统
2.1.1  分布式系统概述
关于“分布式系统”(distributed  systems),设计研究时可将其理解为一种基于计算机与互联网相连的计算机系统,该系统将涉及多台分散的计算机。其内有物理或逻辑的若干资源单位,这些资源单位在高度自治同时,却又相互协同,可在系统内部很好地实现资源管理,在此基础上进行功能或相关任务的动态分配,甚至对一系列分布式的程序进行同时运行。
作为多机系统的全新形式之一,分布式计算机系统在资源、控制、功能和任务的全面分布工作上予以了高度重视。资源方面不仅是指一系列物理设备,同时还包含大量的逻辑资源。其中前者主要涵盖了通信接口、处理机、后援存储器和输入/输出设备等。而后者则包含进程、数据库、表、文件和目录等。这些资源在物理上的每一个节点上得以分布,各节点之间主要通过网络来实现通信,统一的计算机系统因此得以形成。
就分布式计算机系统而言,通用采取了分布式的工作方式,各节点将以两种原则为参考依据来进行分工,分工方式主要有以下两种:一种称之为“任务分布”,其实质是将某一任务细致地划分为若干子任务,并将其分配到各个节点,由其协同完成;另一种称之为“功能分布”,其实只是对总功能的划分,并将划分所得子功能分配到各个节点,由其来承担。两种分工方式中的分配方案,均可以具体的处理内容为参考依据,进行动态地确定。各节点在分布式操作系统的控制之下,可以对控制功能进行均等分担,并在独立发挥自身控制功能的基础上,又能实现彼此间的协同合作,共同致力于系统全局管理的实现。
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2.2  分布式操作系统
2.2.1  构造分布式操作系统的途径
就当下而言,分布式操作系统的构造途径[14]在市面上方式较多,现将其大致归纳如下:
1)  从头开始
众所周知,分布式操作系统无论是单机、集中式,还是网络操作系统之间,都存在极大的差异。鉴于此,不少设计人员提出了从头开始系统构造的主张。所谓“从头开始”,便是以“裸机”为起点从头开始设计工作。这一途径的最大优势在于设计者可进行完全自主的设计,虽如此,其缺陷也是显而易见的。其中所涉及的全部系统及应用软件程序,都需要一一重新编写,周期长,工作量大。
2)  修改、扩充式
这一途径主要是针对现有的操作系统而言的,只需进行适当修改或扩充,赋予其相应的分布处理及通信功能之后,便可以为己所用了。其主要优势在于:可尽量保持与现有操作系统之间的相容性,以便在最大程度上减少软件程序编写的工作量。与此同时,对新版本与原有版本进行比较分析,以此为新版本的性能测试提供可靠的参考依据。其主要缺陷在于:在具体的决策过程中,可能会出于与原有操作系统之间的相容性方面考虑,而被迫选择一种折中的技术方案。
3)  层次式
这一途径主要是将一个层次添加于现有操作系统与用户之间,以便于其通信、分布处理功能的顺利实现。它与网络操作系统存在一定的相似之处,在兼具以上两种途径优势的同时,无需大幅度改动现有的操作系统。其优势显而易见,但其缺陷也一目了然:在引用每一个底层操作系统的过程中,都要经过中间层,以至于系统性能有所减弱,引用过程也会在某种程度上受到制约。
基于以上三种构造途径,最终所得系统详情可参考图 2-7。
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第三章  系统总架构设计 ................................... 19
3.1  硬件的规划实现 ................................................. 19
3.2  分布式架构设计模式 ............................................. 20
第四章  分布式操作系统设计与实现 ................................ 24
4.1  进程管理 ............................................... 24
4.1.1 分布式进程............................................. 24
4.1.2 分布式进程的状态与切换 ............................... 25
第五章  分布式通信机制设计与实现 ............................. 45
5.1  消息传递 ............................................... 45
5.1.1  消息传递概述 ......................................... 45
5.1.2  消息传递方式的设计 ........................................... 46 

第六章  系统的应用

6.1  引言
对现代照明技术的需求方面,目前在整个社会上依然非常庞大。以前是仅仅为了提供照明功能才会安装灯光装置;但是近几年,大家在灯光的需求上不再只为了一个光源,而在远程控制、使用方便、多样性和实用性等的追求越来越多[60]。简单地来看电气照明设备,是由灯或其他发光物体、镇流器和电线线路等构成的集合,目前这种简单设备还在市场上出现,然而早已不能满足人们对灯光控制的需求。另一方面,单单使用模拟电路来完成控制的灯光设备,基本上其灵敏性较差,有时也不能完成整个照明系统中的每一个灯光节点的控制,导致了这类灯光照明控制系统的可扩展性一般般。因此,这便是从 1985 年左右开始发展一种协议设备的原因之一,其可以让一个灯光系统中的每一个模块之间进行信息通讯。目前来看,这些系统具有非常好的的可扩展性、实用性和灵敏性[62],通信时消息也在上级控制设备和实际灯光开关设备之间实现传递。
计算机操作系统论文参考
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第七章  主要结论与展望

主要结论 由于目前对于微小型计算机中的所需计算能力提高越来越重视,而且分布式系统和嵌入式系统的结合最近也越来越被关注,还有市场上一些嵌入式项目工程也越来越需要多机互动。所以,利用多个嵌入式系统组建了一个多嵌入式系统——小型分布式系统,利用嵌入式操作系统 RT-Thread 来设计实现了一个分布式操作系统 Dos-RT-Thread,并将其应用于 DALI 系统中。 本文设计的多嵌入式系统本身就是一个较新的概念,涉及到分布式系统与嵌入式系统。为此,多嵌入式系统上的分布式操作系统在被设计时就涉及到嵌入式实时操作系统与分布式操作系统这两个概念,在一个嵌入式节点的实时内核上就必须兼顾这两个操作系统的必要功能,使它能得以完成嵌入式且分布式的操作系统基本功能。其具体研究成果如下。
(1)  研究设计了多嵌入式系统中的分布式架构。在综合了嵌入式系统与分布式系统的基础上,采用非均衡模式的分布式架构,将所有嵌入式节点分为控制节点和计算节点两种,为整个分布式操作系统的设计做了硬件上的硬件规划。
(2)  在节点上对 RT-Thread 操作系统进行扩充。以分布式操作系统为目标,设计实现 Dos-RT-Thread,并烧录到 STM32F103 板上;主要实现了分布式操作系统下的进程管理、协同处理等功能[73],从而保证多个嵌入式系统之间的高效运行
(3)  实现了分布式操作系统中的任务分配算法,解决了多节点间任务分配问题。由于组成系统的各个嵌入式节点资源的有限性,分布式操作系统下实现了基于非循环有向任务图的任务分配策略这一算法,比较符合实际的应用。
(4)  设计并实现了分布式通信机制,采用 Client/Server 模型。消息传递方面,因是一个控制节点和多个计算节点之间的通信,为保证执行效率,采用半异步半同步消息传递方式;在 RPC 方面,部分程序实现与消息传递相同,但仅为同步通信方式;安全方面,利用节点之间的各节点信息不同,设计并应用了一种基于属性加密的多嵌入式系统间通讯加密方案,首次将 CP-ABE 方案应用于多嵌入式系统上的分布式操作系统中。
参考文献(略)

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