CN101216814A - 一种多核多操作系统之间的通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多核多操作系统之间的通信系统，所述操作系统之间通过虚拟数据通道进行数据传输，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口(例如虚拟网口)。本发明还公开了一种多核多操作系统之间通信方法。本发明不使用硬件芯片，降低硬件成本；第三方软件不需要改动就可以移植，降低了软件移植成本；采用共享内存和核间消息实现数据收发，实现数据零拷贝，提高数据收发效率。

Description

一种多核多操作系统之间的通信方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多核多操作系统之间的通信方法及系统。

背景技术

多核芯片通常是将多个CPU(Center Process Unit，中央处理单元)集成到同一个物理芯片上，通常称为CMP(On-Chip Multi Processor，片上多处理器)，多核内核可以共用系统中的外围设备，多核之间的互连主要有总线互连、交叉开关和片上网络等方式。从拥有系统硬件资源多少的角度，多核可以划分为：逻辑上的多核(指一个内核颗粒中包括多个线程)和物理上的多核(指多核芯片本身包括多个内核颗粒)。典型的多核芯片是拥有多个内核颗粒，而每个内核颗粒又包括多个线程。

目前多核的实际应用有以下两种方式：一种是多核单操作系统，多核的多个线程完成共同完成某一任务，如Linux运行在SMP(Symmetric MultipleProcessor，对称多处理器)模式的应用，在这种应用下，用户感觉不到多核的存在；另一种是多核单操作系统，某核的一个线程起控制平面作用，其他核或线程运行业务，处理数据，起数据平面的作用。

在多核单操作系统中，只有一个操作系统管理所有的资源，核间通信本质上是任务之间的通信，操作系统提供多种接口，如消息队列、信号量、共享内存、管道等，CPU本身也提供核间消息等硬件支持。

现有技术中一种多操作系统硬件架构如图1所示，由路由器和OAP(OpenApplication Platform，开放应用平台)单板两部分组成，路由器的CPU运行Comware操作系统，OAP单板的CPU运行Linux，第三方基于Linux开发的软件很容易就可以集成到OAP单板上，操作系统之间的通信也就是CPU之间的通信，通过以太网接口和串口等物理接口进行。

当图1的软件架构移植到多核系统时，采用的就是多核多操作系统模式，每个核各运行一个操作系统，在一个CPU中运行多个操作系统。CPU的一个核运行Comware操作系统，实现路由转发等功能；另外几个核运行其它操作系统，如Linux操作系统，以便集成第三方软件。

当采用多核CPU后，操作系统之间的通信仍然采用物理接口之间的通信，每个操作系统各管理一个以太网、串口等物理接口，软件的架构基本不变就可以原来的OAA(Open Application Architecture，开放应用架构)移植到多核CPU上，所不同的只是由CPU管理的物理接口变为了由CPU的各个核去管理。使用以太网、串口等物理接口进行通信，其软件和硬件架构同多CPU系统类似，但是硬件成本高，有的多核CPU只能共享物理接口，并不支持单个核去管理物理接口，硬件局限性大。

发明内容

本发明提供了一种多核操作系统之间的通信方法及系统，通过虚拟数据通道的方式实现多核多操作系统之间的通信，对上层软件屏蔽底层所作的修改，降低硬件成本和软件移植的复杂度。

本发明提供了一种多核多操作系统之间的通信系统，所述操作系统之间通过虚拟数据通道进行数据传输，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口。

其中，所述虚拟接口具体包括：

管理模块，用于进行虚拟接口的初始化，并在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态；

数据收发模块，用于利用共享内存和核间消息实现数据收发。

其中，所述管理模块具体包括：

初始化子模块，用于进行虚拟接口的初始化；

注册子模块，用于向操作系统注册虚拟接口；

管理子模块，用于管理虚拟接口的状态，在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态。

其中，所述数据收发模块具体包括：

数据发送子模块，用于将数据写入共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给对端操作系统，使所述对端操作系统从所述共享内存中读取所述数据；

数据接收子模块，用于接收来自对端操作系统的核间消息，根据所述核间消息携带的共享内存的起始地址和数据长度从所述共享内存中读取数据。

其中，发送操作系统对所述共享内存具有读写和释放的权限；接收操作系统对所述共享内存具有读的权限。

本发明还提供了一种多核多操作系统之间通信方法，应用于包括至少两个操作系统的场景，包括以下步骤：

所述操作系统之间设置虚拟数据通道，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口。

所述操作系统之间通过所述虚拟数据通道进行数据传输。

其中，所述操作系统之间设置虚拟数据通道具体包括：

操作系统在启动时，对所述虚拟网口进行初始化，并且各个虚拟网口向各自对应的操作系统进行注册；

在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态以告知对方操作系统自身可否通信。

其中，所述操作系统之间通过所述虚拟数据通道进行数据传输具体包括：

发送操作系统获取共享内存，所述发送操作系统对所述共享内存可读写；所述发送操作系统将数据写入所述共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给接收操作系统；

接收操作系统对共享内存可读，接收处理完成后，所述接收操作系统通过核间消息将所述共享内存起始地址发送给所述发送操作系统，所述发送操作系统将所述共享内存回收。

其中，所述发送操作系统获取共享内存之前还包括：

发送操作系统通过维护一个链表管理预先分配好的共享内存，所述发送操作系统对所述共享内存具有读写和释放的权限；所述接收操作系统对所述共享内存具有读的权限。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的实施例中，不使用硬件芯片，降低硬件成本；第三方软件不需要改动就可以移植，降低了软件移植成本；采用共享内存和核间消息实现数据收发，实现数据零拷贝，提高数据收发效率。

附图说明

图1是现有技术中多操作系统硬件架构图；

图2是本发明中两个虚拟以太网口组成一个虚拟数据通道的示意图；

图3是本发明中同一物理内存空间在逻辑上划分示意图；

图4是本发明中共享内存划分示意图；

图5是本发明中虚拟数据通道的整体处理流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种多核操作系统之间的通信系统，所述操作系统之间通过虚拟数据通道进行数据传输，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口。虚拟数据通道通过软件模拟物理接口，替换掉相关的硬件及驱动软件，使上层软件看到的仍然是物理接口，这样上层软件不需要改动就可以移植到多核CPU上。虚拟数据通道可以虚拟以太网口、串口等多种物理接口，下面以以太网口为例进行说明。虚拟数据通道从操作系统的角度看，每个操作系统对应一个虚拟以太网口，两个虚拟以太网口组成一个虚拟数据通道模块，如图2所示。

每个虚拟以太网口又分为管理模块和数据收发模块。管理模块，用于进行虚拟网口的初始化，并在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态；数据收发模块，用于利用共享内存和核间消息实现数据收发。

所述管理模块具体包括：初始化子模块，用于进行虚拟网口的初始化，类似于实际以太网口的硬件芯片初始化；注册子模块，用于向操作系统注册为以太网口，注册流程同实际的以太网接口类似，这样操作系统或上层软件看到的接口仍然是以太网口，原来的上层软件可以直接移植过来；管理子模块，用于管理虚拟网口的状态，在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态。

所述数据收发模块是虚拟以太网口的核心，负责进行数据收发，完全用软件实现，不用实际的硬件芯片进行收发，具体包括：数据发送子模块，用于将数据写入共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给对端操作系统，使所述对端操作系统从所述共享内存中读取所述数据；数据接收子模块，用于接收来自对端操作系统的核间消息，根据所述核间消息携带的共享内存的起始地址和数据长度从所述共享内存中读取数据。其中，发送操作系统对所述共享内存具有读写和释放的权限；接收操作系统对所述共享内存具有读的权限。

本发明提供了一种多核多操作系统之间通信方法，应用于包括至少两个操作系统的场景，包括以下步骤：

步骤s101，所述操作系统之间设置虚拟数据通道，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟网口。操作系统在启动时，对所述虚拟网口进行初始化，并且各个虚拟网口向各自对应的操作系统进行注册；另外在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态以告知对方操作系统自身可否通信。

步骤s102，所述操作系统之间通过所述虚拟数据通道进行数据传输。具体包括：发送操作系统获取共享内存，所述发送操作系统对所述共享内存可读写；所述发送操作系统将数据写入所述共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给接收操作系统；接收操作系统对共享内存可读，接收处理完成后，所述接收操作系统通过核间消息将所述共享内存起始地址发送给所述发送操作系统，使所述发送操作系统将所述共享内存回收。

本发明以双核CPU为例说明虚拟数据通道模块在多核CPU中应用时的实现和处理流程，重点说明虚拟以太网口的数据收发、初始化和虚拟网口状态处理。该方法同样适用于2个以上的核。

CPU的各核在物理上共享所有的内存，但在操作系统初始化时通常会将内存划分为两部分，分别映射到不同核的操作系统地址空间。这样，同一物理内存空间，在逻辑上就分成了分别对应两个操作系统的两部分，如图3所示。进一步地，对逻辑上的两部分进行细化，包括三部分：核A操作系统A独享内存、核B操作系统B独享内存、核A核B共享内存。其中，为了解决共享内存的读写互斥问题，将共享内存分为了两部分：共享内存池A和共享内存池B，如图4所示。下面来说明如何在数据收发中使用共享内存池。共享内存池A由操作系统A维护，预先分配m块长度为n个字节的内存(m和n的大小由物理内存的容量和以太网发送需求决定)，操作系统A维护一个链表管理这些预先分配好的内存，操作系统A可读写共享内存池A，操作系统B只可读不可写共享内存池A。共享内存池B由操作系统B管理，模式同A类似，即操作系统B可读写共享内存池B，操作系统A只可读不可写共享内存池B。

当虚拟网口A发送数据，虚拟网口B接收数据时，处理流程如下所示，另一方向的发送和接收类似。

步骤1：发送时，操作系统A获取共享内存池A中内存块M，更新维护链表，A对内存块M可读可写，B不能访问M；

步骤2：操作系统A将数据写入内存块M后，通过核间消息将内存块M的起始地址和数据长度发送给操作系统B；

步骤3：接收时，操作系统B对内存块M可读，A不能访问M；

步骤4：接收处理完成后，操作系统B通过核间消息将内存块起始地址发送给操作系统A；

步骤5：操作系统A更新维护链表，将内存块M回收。

虚拟网口A和B通过核间消息向对方通报自己的状态是否为UP，只有两端都为UP时，才能进行数据收发。当某核的操作系统启动时，通过核间消息向对方通报自己的状态为UP，告知对端自己的虚拟接口可以接收报文，当某核的操作系统DOWN之前，通过核间消息向对方通报自己的状态为DOWN，告知对端自己的虚拟接口不可以接收报文。在CPU上电后，虚拟数据通道的整体处理流程如图5所示。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多核多操作系统之间的通信系统，其特征在于，所述操作系统之间通过虚拟数据通道进行数据传输，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口。

2.如权利要求1所述多核多操作系统之间的通信系统，其特征在于，所述虚拟接口具体包括：

管理模块，用于进行虚拟接口的初始化，并在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态；

数据收发模块，用于利用共享内存和核间消息实现数据收发。

3.如权利要求2所述多核多操作系统之间的通信系统，其特征在于，所述管理模块具体包括：

初始化子模块，用于进行虚拟接口的初始化；

注册子模块，用于向操作系统注册虚拟接口；

管理子模块，用于管理虚拟接口的状态，在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态。

4.如权利要求2所述多核多操作系统之间的通信系统，其特征在于，所述数据收发模块具体包括：

数据发送子模块，用于将数据写入共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给对端操作系统，使所述对端操作系统从所述共享内存中读取所述数据；

数据接收子模块，用于接收来自对端操作系统的核间消息，根据所述核间消息携带的共享内存的起始地址和数据长度从所述共享内存中读取数据。

5.如权利要求4所述多核多操作系统之间的通信系统，其特征在于，发送操作系统对所述共享内存具有读写和释放的权限；接收操作系统对所述共享内存具有读的权限。

6.一种多核多操作系统之间通信方法，应用于包括至少两个操作系统的场景，其特征在于，包括以下步骤：

所述操作系统之间设置虚拟数据通道，所述虚拟数据通道包括相互连接的操作系统对应的虚拟接口。

所述操作系统之间通过所述虚拟数据通道进行数据传输。

7.如权利要求6所述多核多操作系统之间通信方法，其特征在于，所述操作系统之间设置虚拟数据通道具体包括：

操作系统在启动时，对所述虚拟接口进行初始化，并且各个虚拟接口向各自对应的操作系统进行注册；

在操作系统启动/关闭时向对方操作系统通报自身的状态以告知对方操作系统自身可否通信。

8.如权利要求7所述多核多操作系统之间通信方法，其特征在于，所述操作系统之间通过所述虚拟数据通道进行数据传输具体包括：

发送操作系统获取共享内存，所述发送操作系统对所述共享内存可读写；所述发送操作系统将数据写入所述共享内存后，通过核间消息将所述共享内存的起始地址和数据长度发送给接收操作系统；

接收操作系统对共享内存可读，接收处理完成后，所述接收操作系统通过核间消息将所述共享内存起始地址发送给所述发送操作系统，所述发送操作系统将所述共享内存回收。

9.如权利要求8所述多核多操作系统之间通信方法，其特征在于，所述发送操作系统获取共享内存之前还包括：

发送操作系统通过维护一个链表管理预先分配好的共享内存，所述发送操作系统对所述共享内存具有读写和释放的权限；所述接收操作系统对所述共享内存具有读的权限。

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