微内核系统中设备驱动环境的设计与优化

发布时间：2020-10-28 18:32

　　 相对于早期一体化内核的复杂系统,以L4为代表的微内核系统仅在内核中保留了地址空间、进程间通讯以及调度的机制,但该系统通用的设备驱动模块则相对不足。微内核系统下的设备驱动模块运行于用户态,其优点在于该模块与内核及用户态中的其它模块之间有较好的隔离性,其缺点是微内核系统中的设备驱动不统一、架构混乱、移植性差;微内核系统之间各个模块的交互涉及大量系统调用和数据复制,因此效率相对低下;设备驱动模块的装载和运行的安全性也较弱。本文结合现有的研究成果,提出微内核系统下具有通用性和复用性的设备驱动环境架构,以及确保安全性的安全加载和监护线程,并通过对于微内核系统进程间通讯的合理设计以提高设备驱动的效率,研究内容具有一定的参考价值。 本文首先提出微内核系统中设备驱动环境应有的基本要素和设计方案,并基于L4/Fiasco中设备驱动环境的优化设计,完成MicroALSA架构的设计和实现,使L4/Fiasco下具有完整的音频设备驱动架构。MicroALSA采用设备驱动环境架构提升对Linux中ALSA架构的复用率,调用DLoader模块监护设备驱动的安全性。测试结果表明,MicroALSA架构具有较高的安全性,付出的代价是在性能和音效表现上比ALSA架构降低了2%-7%,相对于安全性和可扩展性的提升,这一损失是可接受的。 本文提出了微内核系统下设备驱动环境的优化设计和执行方法,并成功地实现了MicroALSA架构。其中设备驱动环境设计具有一定的创新性,本文的设计对于将来更多的微内核系统中设备驱动环境搭建有一定借鉴价值。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TP368.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
缩略语表
插图索引
表格索引
第1章 绪论
    1.1 背景介绍
    1.2 设计目标
    1.3 课题主要研究内容
    1.4 软硬件平台
    1.5 论文结构
第2章 设备驱动以及微内核系统的相关研究
    2.1 设备驱动概述
        2.1.1 设备驱动分类
        2.1.2 设备驱动架构
        2.1.3 Linux 设备驱动的不安全性
    2.2 微内核系统概述
        2.2.1 微内核系统架构
        2.2.2 微内核系统特点
        2.2.3 微内核系统实例介绍
    2.3 L4/Fiasco 微内核系统
        2.3.1 L4/Fiasco 内核功能
        2.3.2 L4/Fiasco 架构及基本模块
    2.4 本章小结
第3章 微内核系统中设备驱动环境架构的设计
    3.1 可移植性设计
        3.1.1 Linux2.6 设备驱动代码复用设计
        3.1.2 Linux2.6 设备驱动代码核心问题解决方案
    3.2 安全性设计
        3.2.1 加载安全性设计
        3.2.2 模块安全性设计
    3.3 高效性设计
        3.3.1 IPC 的分类
        3.3.2 IPC 的机制
        3.3.3 IPC 的实现
    3.4 本章小结
第4章 微内核系统中设备驱动环境架构的实现
    4.1 MicroALSA 架构的设计目标
    4.2 相关代码分析
        4.2.1 ALSA 标准介绍
        4.2.2 ALSA 架构分析
        4.2.3 ALSA 设备层次结构
    4.3 MicroALSA 架构设计
        4.3.1 宏观模块结构设计
        4.3.2 微观模块结构设计
        4.3.3 调度程序结构设计
    4.4 MicroALSA 架构的层级结构实现
        4.4.1 用户调用函数库实现
        4.4.2 接口功能实现
        4.4.3 虚拟文件系统实现
        4.4.4 核心功能实现
    4.5 本章小结
第5章 微内核系统中设备驱动环境架构的其它优化思想
    5.1 L4Linux 在L4/Fiasco 中的移植
        5.1.1 L4Linux 架构
        5.1.2 L4Linux 实现原理
        5.1.3 L4Linux 性能比较
    5.2 L4Linux 作为MicroALSA 服务端运行设计
        5.2.1 L4Linux 中的设备驱动程序
        5.2.2 MicroALSA 架构在L4Linux 中的应用
    5.3 本章小结
第6章 微内核系统中设备驱动环境架构的数据测试
    6.1 MicroALSA 中声卡移植与音频运行
        6.1.1 声卡选择
        6.1.2 音频文件运行方式
        6.1.3 运行环境
        6.1.4 调试方法
    6.2 测试环境
    6.3 移植环境优化对比
    6.4 性能测试
        6.4.1 IPC 效率分析
        6.4.2 CPU 占有率测试
    6.5 音效测试
        6.5.1 客观音效测试
        6.5.2 主观音效测试
    6.6 安全性测试
    6.7 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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本文编号：2860449