CN101051282A - 多操作系统协同工作实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及嵌入式操作系统领域，旨在提供一种多操作系统协同工作实现方法。该方法包括以下步骤：(1)启动通用操作系统，装载实时系统：(2)接收实时中断；(3)保存通用操作系统的运行时关键信息；(4)实时系统的执行；(5)实时任务运行完成，进入第二次实时中断，准备退出实时系统；(6)修改返回地址；(7)退出中断，返回通用操作系统；(8)退出通用操作系统实时中断。本方法通过将实时任务作为一个系统在高速的静态随机存储器中运行，使实时系统具有高效性；适当地更改了对非对称中断处理的过程，保证了通用操作系统在从实时系统切换回来后的正常运行；可以用在各种级别的任务和系统切换上，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式操作系统领域，更具体的说，是涉及一种多操作系统协同工作实现方法。
背景技术
随着计算机技术的发展和人们对效率的追求，操作系统由单任务变为多任务，又由多任务变成多线程并行。而如今，除了需要不断提高单一操作系统上程序的并行度外，越来越多的工作环境中也需要多操作系统同时运行。
虚拟化技术的出现满足了这个要求。它允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率，同时为程序设计人员提供了极大的便利。而实现虚拟化技术的软件就被称为虚拟机。
另外，由于工业、航天、远程医疗的需要，特别是在嵌入式设备上，各种各样实时系统也在不断发展。所谓实时系统，即系统的正确性不仅依赖于计算结果的正确性，还取决于输出结果时间的及时性。而判断一个系统是否是实时主要有以下两个指标：中断延迟和抢占延迟。
如果一个系统以上两个指标是确定的、可预测的，那么就可以说该系统是实时的，许多实时操作系统比如RTlinux和Vxworks都支持内核可抢占，因此在这些方面都有着很高的性能。同时，一些涉及软硬件方面的策略也可以改善实时性能，比如cache技术、关中断和Linux2.6内核中的O(1)调度算法。
在现有的实时操作系统中，为了进一步减少实时响应的时间，所采用的技术主要有两种：第一种方法是减少系统时钟粒度。这种方法缩短了实时任务响应的时间，但是却提高了时钟中断中断处理过程在CPU运行时间中所占的百分比，致使系统性能提升受到限制。第二种方法将系统分为实时核与非实时核两个部分，分别处理实时任务和非实时任务。由于实时核的功能包括处理实时中断，传递非实时中断给非实时核，以及向非实时核提供硬件操作和中断处理的虚拟接口，这就极大的提高了该实时系统的设计时间，而且设计人员叶需要对非实时核(一般为一个普通的操作系统)的底层代码进行大量的修改，因而不利于开发和移植。同时统一的存储空间使非实时任务的运行对实时任务的运行造成一定的影响，比如内存的换进换出，而且系统可靠性也被降低。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多操作系统协同工作实现方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种多操作系统协同工作实现方法，包括以下步骤：
(1)启动通用操作系统：
启动通用操作系统，将实时系统装载进入处理器内置的静态随机存储器中，该通用操作系统继续运行并等待实时中断的到来；
(2)接收实时中断：
通用操作系统响应任意时刻到来的实时中断，接收实时中断并进入实时中断处理函数，并保存实时中断上下文；
(3)保存通用操作系统的运行时关键信息：
首先用实时系统中新的实时中断处理函数替换当前正在运行的通用操作系统的实时中断处理函数，并保存被替换的实时中断的入口，同时保存运行时关键信息，然后执行跳转指令，进入静态随机存储器中的实时系统；
(4)实时系统的执行：
运行静态随机存储器中的实时系统，完成相应实时任务；
(5)实时任务运行完成，进入第二次实时中断，准备退出实时系统：
第二次实时中断到来，进入实时系统的实时中断处理函数，保存当前实时系统的上下文，准备退出；
(6)修改返回地址：
将进入第二次实时中断前所保存的上下文中的返回地址改为通用操作系统在将控制权交给实时系统前所运行的地址，在实时系统中断处理返回时恰好返回到通用操作系统的下一条指令，使该通用操作系统能够继续运行，继续处理步骤(2)中该通用操作系统实时中断的未完成部分；
(7)退出中断，返回通用操作系统：
恢复第二次实时中断的上下文，由于该上下文中的返回地址已经被修改，所以返回到通用操作系统在步骤(4)执行前的地址处，该地址的上一条指令的功能是执行跳转进入静态随机存储器，因此通用操作系统得以继续运行；
(8)退出通用操作系统实时中断：
退出通用操作系统的实时中断处理函数，恢复步骤(2)中保存的实时中断上下文。
作为一种改进，在ARM体系结构下的通用操作系统，其运行时关键信息包括程序计数器、程序状态寄存器和R0至R12寄存器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)高效性。本发明实现了在嵌入式环境下多操作系统协同工作的方法，通过将实时任务作为一个系统在高速的静态随机存储器中运行，独占CPU且逻辑上独立于通用操作系统，有利于明确实时系统的任务和缩短实时系统响应的时间，提高该实时系统的性能。
(2)可靠性。本发明通过对非对称中断处理过程进行仔细的分析，适当地更改了中断处理的过程，保证了通用操作系统在从实时系统切换回来后的正常运行。
(3)实用性。本发明提出的多操作系统协同工作实现方法，可以用在各种级别的任务和系统切换上，特别是对非对称中断处理过程的处理，有利于一些对中断嵌套级别要求较深的任务的解决。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明实时中断寄存器示意图。
具体实施方式
结合附图，通过具体实施例对本发明进一步说明。
一种多操作系统协同工作实现方法，包括以下步骤：
(1)启动通用操作系统：
启动通用操作系统，将实时系统装载进入处理器内置的静态随机存储器中，该通用操作系统继续运行并等待实时中断的到来；
(2)接收实时中断：
通用操作系统响应任意时刻到来的实时中断，接收实时中断并进入实时中断处理函数，并保存实时中断上下文；
(3)保存通用操作系统的运行时关键信息：
首先用实时系统中新的实时中断处理函数替换当前正在运行的通用操作系统的实时中断处理函数，并保存被替换的实时中断的入口，同时保存运行时关键信息，然后执行跳转指令，进入静态随机存储器中的实时系统；
(4)实时系统的执行：
运行静态随机存储器中的实时系统，完成相应实时任务；
(5)实时任务运行完成，进入第二次实时中断，准备退出实时系统：
第二次实时中断到来，进入实时系统的实时中断处理函数，保存当前实时系统的上下文，准备退出；
(6)修改返回地址：
将进入第二次实时中断前所保存的上下文中的返回地址改为通用操作系统在将控制权交给实时系统前所运行的地址，在实时系统中断处理返回时恰好返回到通用操作系统的下一条指令，使该通用操作系统能够继续运行，继续处理步骤(2)中该通用操作系统实时中断的未完成部分；
(7)退出中断，返回通用操作系统：
恢复第二次实时中断的上下文，由于该上下文中的返回地址已经被修改，所以返回到通用操作系统在步骤(4)执行前的地址处，该地址的上一条指令的功能是执行跳转进入静态随机存储器，因此通用操作系统得以继续运行；
(8)退出通用操作系统实时中断：
退出通用操作系统的实时中断处理函数，恢复步骤(2)中保存的实时中断上下文。
下面详细介绍本发明所述的多操作系统协同工作的实现方法，该方法的实现步骤如下：
(1)启动通用操作系统：启动通用操作系统，比如Linux操作系统，将实时系统装载进入处理器内置的静态随机存储器中，该通用操作系统继续运行并等待实时中断的到来；
(2)接收实时中断：通用操作系统响应任意时刻到来的实时中断，接收实时中断并进入实时中断处理函数，保存实时中断上下文，比如处理器地址指针、处理器模式以及与该模式向对应的堆栈地址。本过程由通用操作系统自动处理。
其中，包括两个主要步骤：
A、保存用户模式上下文。首先进入中断模式(IRQ)，进入Vector_IRQ部分进行处理，同时硬件自动把用户模式(USR)下的程序计数器(PC)和处理器状态寄存器(CPSR)保存在中断态下的寄存器lr_irq和spsr_irq中，然后分别保存在.Lcsirq指向的内存里，供以后使用。这两个寄存器保存了中断后实际要返回的地址和返回后应该恢复的程序状态寄存器的值。然后进入_svc_irq，并同时将模式转换到系统模式(SVC)。
B、保存系统模式上下文。实时中断上下文共有18个寄存器，如图2所示。其中sp_svc表示进入系统模式(SVC)的堆栈初始指针，sp表示要传给中断处理程序的结构Struct pt_regs*regs指针地址，即实时中断的上下文。其中sp＝sp_svc-72。然后获得中断向量号，放入寄存器R0，并把sp放入R1中，调用asm_do_IRQ()，进入真正的中断处理函数asm_do_IRQ，然后进入实时中断处理函数。
(3)保存原有系统的运行时关键信息：
A、用实时系统中新的实时中断处理函数替换当前正在运行的通用操作系统的实时中断处理函数，并保存当前实时中断函数的入口。
B、保存运行时关键信息。ARM体系结构下的通用操作系统的运行时关键信息包括程序计数器(PC)、处理器状态寄存器(CPSR)和R0至R12寄存器。
C、执行跳转指令，进入静态随机存储器运行。
(4)实时系统的执行：
运行静态随机存储器中的实时系统，完成相应任务。
(5)实时任务运行完成，进入第二次实时中断，准备退出实时系统：
实时任务运行完成后通知实时系统进入第二次实时中断，即已经替换后的实时系统的实时中断响应函数，这是在第一次通用操作系统实时中断未完全退出的情况下第二次进入实时中断处理函数，在本次实时中断处理中，需要保存当前实时系统的上下文，准备退出。本步骤由通用操作系统自动处理。
(6)修改返回地址：
A、恢复以前的实时中断处理函数。
B、把第一次保存的当前程序计数器(PC)、处理器状态寄存器(CPSR)和R0至R12寄存器保存到第二次实时中断的上下文里，即修改第二次实时中断的返回地址(原返回地址为静态随机存储器里的实时系统代码部分)，使之在中断结束后不返回到静态随机存储器里，而是进入第一次实时中断里执行跳转前的下一条指令。
(7)退出中断，返回通用操作系统：
恢复第二次实时中断的上下文，由于该上下文中的返回地址已经被修改，所以返回到通用操作系统在步骤(4)执行前的地址处，该地址的上一条指令的功能是执行跳转进入静态随机存储器，因此该通用操作系统得以继续运行，继续处理步骤(2)中该通用操作系统实时中断的未完成部分。
(8)退出通用操作系统的实时中断处理函数，恢复步骤(2)中保存的实时中断上下文，比如处理器地址指针、处理器模式以及与该模式向对应的堆栈地址。
本发明所述的多操作系统协同工作实现方法，其主要功能利用了嵌入式处理器的片内随机静态存储器存取的高效性，将实时操作系统放置在其中运行，提高了实时系统的性能。并通过对arm体系结构下Linux系统中断处理特点的研究，克服了非对称中断处理的困难，并为此开发了一种操作系统级的切换技术，用于通用操作系统和实时系统之间的切换。本方法具有很强的通用性，可以在各级别的切换技术中使用。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (2)
1、一种多操作系统协同工作实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动通用操作系统：
启动通用操作系统，将实时系统装载进入处理器内置的静态随机存储器中，该通用操作系统继续运行并等待实时中断的到来；
(2)接收实时中断：
通用操作系统响应任意时刻到来的实时中断，接收实时中断并进入实时中断处理函数，并保存实时中断上下文；
(3)保存通用操作系统的运行时关键信息：
首先用实时系统中新的实时中断处理函数替换当前正在运行的通用操作系统的实时中断处理函数，并保存被替换的实时中断的入口，同时保存运行时关键信息，然后执行跳转指令，进入静态随机存储器中的实时系统；
(4)实时系统的执行：
运行静态随机存储器中的实时系统，完成相应实时任务；
(5)实时任务运行完成，进入第二次实时中断，准备退出实时系统：
第二次实时中断到来，进入实时系统的实时中断处理函数，保存当前实时系统的上下文，准备退出；
(6)修改返回地址：
将进入第二次实时中断前所保存的上下文中的返回地址改为通用操作系统在将控制权交给实时系统前所运行的地址，在实时系统中断处理返回时恰好返回到通用操作系统的下一条指令，使该通用操作系统能够继续运行，继续处理步骤(2)中该通用操作系统实时中断的未完成部分；
(7)退出中断，返回通用操作系统：
恢复第二次实时中断的上下文，由于该上下文中的返回地址已经被修改，所以返回到通用操作系统在步骤(4)执行前的地址处，该地址的上一条指令的功能是执行跳转进入静态随机存储器，因此通用操作系统得以继续运行；
(8)退出通用操作系统实时中断：退出通用操作系统的实时中断处理函数，恢复步骤(2)中保存的实时中断上下文。
2、根据权利要求1所述的多操作系统协同工作实现方法，其特征在于，在ARM体系结构下的通用操作系统，其运行时关键信息包括程序计数器、程序状态寄存器和R0至R12寄存器。
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