多任务嵌入式实时控制系统软件的研究.docx
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多任务嵌入式实时控制系统软件的研究
分类号密级
UDC
学位论文
多任务嵌入式实时控制系统软件的研究
作者姓名：
朱文强
指导教师：
李小平教授
东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室
申请学位级别：
硕士
学科类别：
工学
学科专业名称：
控制理论与控制工程
论文提交日期：
2012年06月
论文答辩日期：
2012年06月
学位授予日期：
答辩委员会主席：
唐立新
评阅人：
李界家、张磊
东北大学
2012年06月
AThesisinControlTheoryandControlEngineering
ResearchofMultitaskingEmbeddedReal-TimeControlSystemSoftware
ByZhuWenqiang
Supervisor:
ProfessorLiXiaoping
NortheasternUniversity
June2012
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：
半年□一年□一年半□两年□
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
签字日期：
多任务嵌入式实时控制系统软件的研究
摘要
随着数字信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式系统己经广泛地渗透到科学研究、工程设计和军事技术等各类产业中。
传统的嵌入式系统大多为了实现某个控制功能，使用简单的控制对外界的请求进行处理。
随着系统复杂性的增加及使用范围的扩大，越来越多的嵌入式系统要求实现大量相关的非实时任务、软实时任务和硬实时任务的处理，然而传统的单线程嵌入式系统或多任务分时嵌入式系统难以满足实时多任务这种应用需求。
为了适应发展需求，将嵌入式系统与多任务实时系统进行联合应用研究，可以进一步拓宽嵌入式系统的应用领域。
本文以此为背景，采用基于模型的设计思想，设计开发出无缝连接Matlab/Simulink的多任务嵌入式实时控制系统软件。
该系统软件不仅具备嵌入式、多任务、实时性、二次开发简单快捷等特点，而且具有良好的安全性、稳定性、可维护性和可扩展性。
该系统软件的研究、设计及其实现将会为嵌入式系统的进一步发展和应用提供新的解决方案。
本文的主要工作包括以下几个方面：
1.分析国内外实时控制器和实时操作系统的研究和发展现状，总结现有控制器和实时系统的优缺点，并在此基础上设计多任务嵌入式实时控制系统软件。
多任务嵌入式实时控制系统软件的设计分别为系统软件总体架构设计以及各个功能模块的具体设计。
各功能模块的设计是实时内核的设计、实时设备驱动的设计和实时监控程序的设计。
2.多任务嵌入式实时控制系统软件的实现，包括实时内核的实现、实时设备驱动的实现和实时监控程序的实现。
在实时内核实现环节中，对Linux内核实时性和其改进方案进行分析研究后，选定基于双内核思想的RTAI-Linux作为最终的实时内核方案；在实时设备驱动实现环节中，分析了LXRT机制后，在此基础上设计完成了实时设备驱动的实现策略；在实时监控程序的实现环节中，分析了实时进程间通信RPC和MBX机制后，利用此机制分别完成对实时监控程序中控制功能模块、参数显示与修改功能模块、实时数据曲线显示功能模块的设计和开发。
3.多任务嵌入式实时控制系统软件的测试及在双容水箱设备上的应用验证。
首先对实时内核、实时设备驱动和实时监控程序分别开发测试用例，对各个单元功能的有效性和实时性进行测试与分析；其次在双容水箱装置中进行应用验证，完成对整个系统软件的功能和性能的测试。
实验结果表明，本文开发的多任务嵌入式实时控制系统软件不仅各单元功能有效可行，而且在系统多任务下也能满足对控制程序响应的快速性、时间的精确性和控制的可预测性的要求。
关键词：
实时系统；RTAI；LXRT；实时监控
ResearchofMultitaskingEmbeddedReal-TimeControlSystemSoftware
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthedigitalinformationtechnologyandnetworktechnology,embeddedsystemhasbeenwidelyusedinvariousareassuchasscientificresearch,engineeringdesign,militarytechnology,andsoon.Thetraditionalembeddedsystemisdesignedtoachieveacertaincontrolfunctionusingsimplecontrolstrategy.Followingtheincreasingcomplexityandtheextensiveapplicationofembeddedsystem,moreandmoreembeddedsystemarerequiredtorealizetheprocessofavarietyoftasksincludingnon-real-timetasks,softreal-timetasksandhardreal-timetasks.However,itisdifficulttomeetreal-timemultitaskingapplicationrequestforthetraditionalsingle-threadedembeddedsystemandmultitaskingtime-sharingembeddedsystem.Inordertomeettheneedsofembeddedsystemdevelopment,thereisnodoubtthattheresearchoncombinedapplicationoftheembeddedsystemandreal-timemultitaskingsystemwillfurtherbroadentheapplicationfieldoftheembeddedsystem.
Takingthisasbackground,amultitaskingembeddedreal-timecontrolsystemsoftwareisdesignedanddevelopedtorealizetheseamlessconnectionofMatlab/Simulink,basedonthemodelbaseddesignmethod.Itnotonlyhasembedded,multitasking,real-time,simpleandquickseconddevelopmentcharacteristics,butalsohashighsafety,reliability,maintainabilityandexpansibility.Thereisnodoubtthatitwillpromotethefutureapplicationanddevelopmentoftheembeddedsystemtostudy,designandimplementthesystemsoftware.Themaincontributionsofthedissertationaresummarizedasfollows:
1.Basedontheanalysisofresearchanddevelopmentsituationofreal-timecontrollersandthereal-timesystemathomeandabroad,thedissertationsummarizetheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingcontrollerandpresentthedesignofthegeneralstructureofthemultitaskingembeddedreal-timecontrolsystemsoftware.Tobespecific,itconsistofthedesignofthereal-timekernel,real-timedevicedriverandreal-timemonitoringprogram.
2.Thedevelopmentandrealizationofthemultitaskingembeddedreal-timecontrolsystemsoftwareareintroducedinthepaperindetails.Specifically,itiscomprisedoftheimplementationofreal-timekernel,real-timedevicedriverandreal-timemonitorprogram.Respecttothereal-timekernel,RTAI-Linuxbasedonthedoublekernelsmechanismisselectedasthefinalreal-timekernelaftertheresearchontheshortageandimprovementschemeofLinuxreal-timeperformance.Besides,basedontheanalysisofLXRTmechanism,theimplementationstrategyofthereal-timedevicedriverisdesignedandpresented.Finally,thereal-timemonitorprogramisdevelopeddetailedlyonthebasisofanalyzingandusingtheRPCandMBXstrategy.Tomeetthefunctionalrequirements,threefunctionalmodulesaredesignedanddevelopedwhicharerespectivelythecontrolfunctionmodule,theparameterdisplayandmodificationfunctionmoduleandreal-timedatacurvedisplayfunctionmodule.
3.Thispapercompletesthetestofthemultitaskingembeddedreal-timecontrolsystemsoftwareanditsapplicationvalidationtothedoubletank.Testingcasesaredevelopedfirstforreal-timekernel,real-timedevicedriverandreal-timemonitorprogram,respectively.Andthen,testresultsareobtainedandshowthateachfunctionunitworkswellandhasgoodreal-timeperformance.Atlast,thesystemsoftwareisappliedtothedoubletanktovalidatethefunctionandperformanceofthewholesystemsoftware.Experimentalresultsshowthatthemultitaskingembeddedreal-timecontrolsystemsoftwarenotonlyworkswellforeachfunctionunit,butonlysatisfiestherequestthatreal-timecontrolsystemforspeedyresponse,accuratetimeanddivinablecontrolintheenvironmentofmultipletasks.
Keywords：
Real-TimeSystem;RTAI;LXRT;Real-TimeMonitoring
目录
独创性声明I
摘要II
AbstractIV
第1章绪论1
1.1选题背景及意义1
1.2实时控制系统的发展现状2
1.2.1实时控制器的发展现状2
1.2.2实时操作系统的发展现状6
1.3本文主要研究工作8
第2章多任务嵌入式实时控制系统软件的设计11
2.1引言11
2.2实时控制系统软件的总体架构设计11
2.2.1快速原型实时控制系统总体架构设计11
2.2.2实时控制系统软件的总体设计13
2.3实时内核的设计14
2.3.1标准Linux内核实时性能分析14
2.3.2增强标准Linux实时性能的关键技术分析17
2.3.3基于Linux的实时内核的设计20
2.4实时设备驱动的设计21
2.4.1标准Linux设备驱动分析21
2.4.2基于LXRT机制的实时设备驱动的设计25
2.5实时监控程序的设计27
2.5.1实时监控程序的功能需求分析27
2.5.2实时监控程序开发语言的选择28
2.5.3实时监控程序的设计29
2.6本章小结34
第3章多任务嵌入式实时控制系统软件的实现35
3.1引言35
3.2基于RTAI的Linux实时内核的实现35
3.2.1实时内核的实现原理分析35
3.2.2实时内核的具体实现40
3.3基于LXRT机制的实时设备驱动的实现42
3.3.1LXRT机制的研究42
3.3.2基于LXRT机制的实时设备驱动的实现45
3.4基于RPC和MBX机制的实时监控程序的实现49
3.4.1RPC机制的研究49
3.4.2MBX机制的研究52
3.4.3人机界面的开发实现54
3.4.4控制功能模块的开发实现55
3.4.5参数显示与在线修改功能模块的开发实现55
3.4.6实时数据曲线显示功能模块的开发实现57
3.5本章小结59
第4章系统软件的测试及在双容水箱装置中的应用验证61
4.1引言61
4.2实时控制系统软件的测试61
4.2.1实时内核的测试61
4.2.2实时设备驱动的测试62
4.2.3实时监控程序的测试65
4.3实时控制系统软件在双容水箱装置中的应用验证67
4.3.1双容水箱系统中PC104实时设备驱动的开发67
4.3.2单容水箱PID液位平衡控制算法分析70
4.3.3单容水箱PID液位平衡控制实验测试71
4.4本章小结73
第5章总结与展望75
5.1工作总结75
5.2研究工作展望76
参考文献77
致谢81
硕士期间主要工作83
第1章绪论
1.1选题背景及意义
在当前后PC（Post-PC）时代，数字信息技术和网络技术高速发展，嵌入式系统广泛地应用到科学研究、军事技术、工程设计和商业文化等人们的日常生活的方方面面中。
随着国内外嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术和人们生活的结合将越来越紧密。
嵌入式系统的概念出现在1970年左右，此时嵌入式系统大多不采用操作系统，只为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理[1]。
随着系统复杂性的增加和利用范围的扩大，新的功能需求越来越多，每添加一项，都可能需要从头开始设计。
没有操作系统的支持，开发难度越来越大，给其带来了极大的挑战。
从80年代开始，各种各样的嵌入式操作系统开始出现，并呈现百家争鸣的局面。
将嵌入式系统与实时系统应用紧密结合，已经成为近年来各大企业和高校研究的热点之一。
所谓的实时系统就是实时系统是“一个能够在事先指定确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步事件做出响应的系统”。
对于实时系统而言，一个任务计算的正确性不仅依赖于程序自身逻辑上的正确性，而且依赖于程序运行计算结果产生的时间的准确性，如果一个系统的时间约束条件不能很好的满足，将会导致系统崩溃及其他一些不可预测的严重后果[2]。
实时控制任务与常见的只要求逻辑正确性的计算任务之间的最大不同之处就是要满足处理与时间的关系，它经常要处理很多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。
因此，与我们常见的分时系统相比，实时系统的设计时面临着许多不同的甚至更复杂的考虑因素。
近年来，嵌入式实时系统的应用出现了更加强劲的势头。
传统的嵌入式系统己经很难满足现代工业、军事及航空航天等各类产业的控制要求，多数控制任务要求采用多任务实时计算，这些需求推动了多任务嵌入式实时系统的研究和发展。
开发适合于多用应用系统要求的多任务嵌入式实时系统软件，成为该系统研究领域中的的一个重点。
在这方面，通常有三种开发模式：
一种是自行开发实时系统软件；另一种是直接应用商业开发的实时系统软件；最后一种是对通用的控制系统软件进行实时性的改造再开发。
第一种方案开发难度太大，难以操作，第二种方案功能简单，价格过于昂贵，它们完全不利于该系统软件大规模的开发、推广和使用；唯独第三种方案简便易操作，便于开发一个标准的、开发的、有广泛支持的、高效又廉价的嵌入式实时系统软件。
Linux操作系统由于具有开源、硬件支持广泛、内核工作稳定高效、开发工具链优秀齐备等优点，使得它无论是在嵌入式领域还是实时化领域都倍受关注。
但是Linux是一个分时操作系统，使用分时调度策略，在任务调度方面采用的是公平原则，这样就限制了Linux的实时化应用，必须对其进行实时性改进，以满足实时性的要求。
因此，国内外很多机构都是以标准Linux内核作为基础开始展开的实时系统软件的研究。
近年来，国内外对实时控制系统软件的研究发展迅速，尤其是基于模型的设计技术在控制领域的应用开创了产品开发和理论验证的新模式。
基于模型的设计的研究与发展将理论验证的时间大大缩短，同时降低了生产成本，提高了生产效率。
目前，国外实时控制系统平台的发展领先于国内水平，但价格昂贵，使得一些有意使用的企业和高校难以使用，一定程度上阻碍了国内实时系统的研究和企业生产效率的提高。
在这种形势下，东北大学自动化研究中心的嵌入式控制系统实验室开始致力于以快速原型技术为核心的新一代嵌入式控制系统平台的研究与开发。
经过几年的努力和积累，该实验室已经自主开发出多套不同层次和种类的嵌入式控制系统平台，代表国内快速原型控制系统平台的高端发展水平。
其中快速原型实时控制器是实验平台的核心和关键。
该实验室通用控制平台主要分为高端和低端两个种类，分别是基于单板机的XPC快速原型控制平台和基于DSP的快速原型控制平台。
前者有强大的处理能力，支持网络通信，但是一方面对于控制器而言，系统软件基于DOS内核，不支持多任务，功能单一，大大限制了其对音频、视觉等特性功能的扩展，另一方面对于控制算法开发机而言，开发平台封闭，扩展性和跨平台性差，大大限制了其应用范围。
后者虽有体积小、低功耗等优点但功能单一且处理能力有限，同时也不支持网络通信，给控制程序的开发调试和功能扩展带来诸多不便。
本文开发的基于RTAI-Linux的多任务嵌入式实时控制系统软件不仅继承了上述控制平台的诸多优点，还解决了其发展过程中存在的问题和不足。
同时，还增加了许多新的优点：
支持多任务的Linux操作系统使得控制平台具有更多的智能性和灵活性，例如可以方便的添加音频、视频等功能模块，便于满足各种被控对象多样的应用需求；其增加本机监控的功能不仅方便现有系统软件平台的调试，还为以后实验室各种工业现场控制平台的研究与开发奠定基础。
1.2实时控制系统的发展现状
1.2.1实时控制器的发展现状
随着控制技术的高速发展，实时控制器也获得了很大的进步。
目前实时控制器主要分为两大类：
一类是传统实时控制器，另一类是基于快速原型技术的实时控制器。
其中后者就是推动控制系统软件平台发展迅速的主要动力之一。
（1）传统实时控制器
面对不同的被控对象，控制器产品的使用也有所差异。
下面对传统实时控制器产品的分类进行大体的概括和描述。
①以单片机或微处理器作为目标控制器的实时控制器。
这类控制器结构比较简单，处理精度和速度较低，成本也不高，主要应用于一些只需要低速处理或对系统性能要求不高的场合[3]。
软件方面，开发中使用汇编语言或者C语言对控制方法和策略等进行编程，进而完成对实验对象的控制。
②基于PC总线的以DSP和FPGA作为目标控制器的实时控制器。
这类控制器以FPGA等芯片作为实时控制器的目标控制器，以PC机作为信息处理平台[3]，其中，控制器以“插卡”的形式嵌入到PC机中，即“PC机+控制器的模式”。
如图1.1所示。
图1.1板卡控制器
Fig.1.1Thecontrollerboard
此类实时控制器将PC机的信息处理能力和底层板卡的控制性能高效结合在一起，具有信息处理能力强，控制精度高等特点。
同时控制器充分利用了DSP的高速数据处理能力和FPGA的超强逻辑处理能力，便于设计开发出功能完善、性能优越的专用控制器。
软件方面，使用C、C++等高级语言进行编程实现控制方法，完成对硬件系统或被控对象的控制操作。
③以嵌入式微处理器为核心的实时控制器。
它以嵌入式主板为实时控制器的目标控制器，其中以PC机作为程序编写和算法调试平台，同时控制器和PC机之间进行网络通信和数据交互。
如图1.2所示。
图1.2嵌入式控制器
Fig.1.2Embeddedcontroller
此类控制
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