CN101697132A

CN101697132A - 一种操作系统快速重启的方法、装置和网络设备

Info

Publication number: CN101697132A
Application number: CN200910236505A
Authority: CN
Inventors: 雷林
Original assignee: Beijing Star Net Ruijie Networks Co Ltd
Current assignee: Beijing Star Net Ruijie Networks Co Ltd; Ruijie Networks Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-04-21

Abstract

本发明提供了一种操作系统快速重启的方法、装置和网络设备。所述方法包括：步骤S1，在快速恢复内存段中存储系统初始状态时的操作系统相关内存段的信息；步骤S2，在捕获到系统异常时，根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段；步骤S3，CPU从主程序入口地址执行主程序。本发明使得操作系统重启动所需时间大幅缩短，异常恢复时间大幅降低，用户业务受影响时间也大大减少。

Description

一种操作系统快速重启的方法、装置和网络设备

技术领域

本发明涉及一种操作系统快速重启的方法、装置和网络设备，属于数据通信技术领域。

背景技术

下面先对本发明中涉及的几个概念进行解释。

1、中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)

中央处理器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算，内部结构可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：8位处理器、16位处理器、32位处理器以及64位处理器等。

2、嵌入式处理器

嵌入式处理器是面向特定应用的CPU，与通用型的CPU如个人计算机(Personal Computer，简称PC)中使用的CPU的最大不同就是，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用计算机系统中许多由板卡完成的任务集成在CPU芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。

3、内存

内存就是存储程序以及数据的地方，一般采用半导体存储单元，包括随机存储器(Random Access Memory，简称RAM)，只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)，以及高速缓存(Cache)。RAM是其中最重要的存储器，包括同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random AccessMemory，简称SDRAM)，DDR(Double Data Rate，双倍速率)SDRAM内存通常被称之为DDR内存。

4、内存管理单元

实现虚拟地址到实际物理地址的映射功能单元。嵌入式系统中，存储系统差别很大，可能包含多种类型的存储器件，如闪存Flash，SRAM，SDRAM，ROM等，这些不同类型的存储器件速度和宽度等各不相同，在访问存储单元时，可能采取平板式的地址映射机制对其操作，或需要使用虚拟地址对其进行读写。为此，引入内存管理单元，增强系统的安全性。

5、Flash

Flash为非易失性存储器件，又称闪存，分为Nor Flash与Nand Flash两种。

Nor Flash，为并行Flash，由或门(or门)构成。读取Nor Flash和读取我们常见的SDRAM是一样的。它的所有地址都是可见的，你可以读取它任意随机地址的值。同时它和SDRAM一样你可以直接运行装载在NorFlash里面的代码。因为Nor Flash有这种特性，所以它非常适用于小型嵌入式系统。

Nand Flash，为串行Flash，由与门(and门)构成。Nand Flash没有采取内存的随机读取技术。它的读取是以块为单位进行的，通常一次读取512字节。采用这种技术的Flash成本低廉，但不能直接运行Nand Flash上的代码。因此使用Nand Flash的开发板，还需要配上了一块小的NorFlash来运行启动代码。

图1为嵌入式操作系统内存结构示意图，可以看到，内存被分为多个段，每个段又存放有不同的数据内容。操作系统的可执行代码镜像存放在代码段(.code段)中，非零全局变量存在在数据段(.data段)中，头文件等非可执行代码存放在文本段(.text段)中，符号开始段(.bss段)中存放的数据固定为全零。除此之外，还有：

Rserve段：保留内存段，该内存段通常是CPU的寄存器映射地址，在开机的时候需要配置这些寄存器。对应的这个段是不能用作数据存储的，任何一个系统都存在该段。

Bootloader and Parameter area段：系统启动引导程序及参数存放段，用于存在Bootloader及相关的数据配置数据数据结构体镜像文件，对所有嵌入式系统均存在有该段；

System Stack段：系统堆栈，操作系统响应中断时，需要将关键寄存器的值，及CPU的相关运行状态存在到该区域，在中断返回后，利用该段的内容恢复CPU中断关的工作状态；

System Memory段：系统内存，由处理器的内存管理单元控制，用于存储CPU运行期间所需要的数据，系统正常运行后，CPU需要的所有数据，以及处理之后的数据均存在该内存段，该内存段的大小直接影响到CPU的执行效率。

在嵌入式智能系统中，当CPU的指令指针错误，导致程序执行出现问题时，或者当系统的部分功能模块出现严重异常但又不影响整个操作系统的运行时，通常采用看门狗电路拉低CPU复位信号，实现系统重启。通过该方式，从CPU出现异常到系统恢复正常工作的时间较长。

嵌入式操作系统正常启动的流程如图2所示，嵌入式系统启动分为两个部分，第一部分是系统启动引导程序Bootloader，该部分完成对系统的简单初始化，并为加载操作系统主程序做准备；第二部分是操作系统；简单地说，BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备(通常包含对串口，以太网口，Flash存储空间)、建立内存空间的映射图，创建简单的文件系统等，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

从图2中可以看出，嵌入式操作系统启动时，需要读两次Flash，加载两次程序，只有当主程序运行成功后，系统才能恢复正常。重启过程中，CPU运行速度很快，但从Flash读操作系统镜像文件需要较多时间，特别是在高级智能系统中，支持的业务繁多，系统镜像文件较大，而Nand Flash速度相对较慢，导致CPU在读取程序镜像时花费了较多时间，导致系统异常恢复的时间较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作系统快速重启的方法、装置和网络设备，使得在操作系统出现严重异常时能够快速重启，有效缩短异常恢复时间。

为实现上述目的，本发明提供了一种操作系统快速重启的方法，所述方法包括：

步骤S1，在快速恢复内存段中存储系统初始状态时的操作系统相关内存段的信息；

步骤S2，在捕获到系统异常时，根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段；

步骤S3，CPU从主程序入口地址执行主程序。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种操作系统快速重启的装置，所述装置包括快速恢复存储模块、系统异常捕获模块、快速重启模块和主程序执行模块；

所述快速恢复存储模块用于在快速恢复内存段中存储系统初始状态时的操作系统相关内存段的信息；

所述系统异常捕获模块用于在捕获到系统异常时，通知快速重启模块进行操作系统快速重启；

所述快速重启模块与快速恢复存储模块和系统异常捕获模块连接，用于根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段，并在完成后通知主程序执行模块；

所述主程序执行模块与快速重启模块连接，用于CPU从主程序入口地址执行主程序。

为了实现上述目的，本发明又提供了一种网络设备，所述网络设备包括上述装置。

本发明针对嵌入式系统出现异常后需要快速恢复的需求提供了一种解决方案。目前的高级嵌入式智能系统均有自己的操作系统，本发明通过在捕获到系统异常时，根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段，使得操作系统重启动所需时间大幅缩短，异常恢复时间大幅降低，用户业务受影响时间也大大减少。

本发明可有效处理此类系统出现的不可恢复异常处理，也可以应用于非嵌入式操作系统，满足其快速重启要求。

附图说明

图1为嵌入式操作系统内存结构示意图

图2为嵌入式操作系统正常启动的流程示意图

图3为本发明一种操作系统快速重启的方法实施例一示意图

图4为本发明一种操作系统快速重启的方法实施例二示意图

图5为本发明一种操作系统快速重启的方法实施例三示意图

图6为本发明一种操作系统快速重启的方法实施例四示意图

图7为本发明嵌入式操作系统内存结构示意图

图8为本发明一种操作系统快速重启的方法实施例五示意图

图9为本发明一种操作系统快速重启的装置实施例一示意图

图10为本发明一种操作系统快速重启的装置实施例二示意图

图11为本发明一种操作系统快速重启的装置实施例三示意图

图12为本发明一种操作系统快速重启的装置实施例四示意图

图13为本发明一种网络设备实施例示意图

具体实施方式

针对现有技术中存在的问题，如果在系统重启过程中能减少CPU执行的流程，特别是比较浪费时间的Flash读取，则系统异常恢复的时间将大大减少。

在操作系统重启中，主程序运行是必不可少的，如果能直接从内存中读取并运行主程序，那么就能去掉操作系统正常启动过程中的Flash读、Bootloader运行时间及主程序读取加载时间，系统异常的恢复时间就可以大幅缩短。

在如图1所示的操作系统各内存段中，.code，.text和.bss段在系统运行过程中是不会被修改的；系统堆栈及由操作系统管理的内存空间均为操作系统自动分配。

在Bootloader加载操作系统镜像文件时，会自动将可执行代码存放在.code对应的内存中，将全局数据放到.data对应的内存中，将头文件申明等存放到.text对应的内存中，操作系统主程序运行时，CPU程序指针会指向.code段中的主程序入口地址，开始执行操作系统的主程序。主程序运行成功后，操作系统不会再操作.code，.text，.bss段的内容，但会操作.data段。

通过上面的分析可知，在正常情况下，位于内存中的.code，.bss，.text段的数据均不会被改变，被改变的只有.data段的内容。在CPU重启时，如果能恢复.data段中的数据，则操作系统镜像就能恢复到系统断电开机时的初始状态，CPU就可以直接从内存运行操作系统，不再需要从Flash中读取程序代码，从而实现快速重启。

下面结合附图对本发明进行说明，本发明提供了一种操作系统快速重启的方法，图3给出了本发明一种操作系统快速重启的方法实施例一示意图，所述方法包括：

所述初始状态是指系统断电开机时的初始状态。

所述操作系统相关内存段的信息可以包括：操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置、代码段的校验结果、文本段的校验结果和数据段的内容。

步骤S3，CPU从主程序入口地址执行主程序。

图4给出了本发明一种操作系统快速重启的方法实施例二示意图，本实施例除了包括方法实施例一的步骤外，所述步骤S2具体包括：

步骤S21，在捕获到系统异常时，根据所述代码段的校验结果恢复系统初始状态时的代码段；

所述根据所述代码段的校验结果恢复系统初始状态时的代码段具体可以为：先根据快速恢复内存段中存储的系统初始状态时的代码段校验结果检查代码段是否被更改，如果未被更改则不进行操作，如果被更改则使用校验码进行纠错，从而恢复系统初始状态的代码段。

步骤S22，在捕获到系统异常时，根据所述文本段的校验结果恢复系统初始状态时的文本段；

所述根据所述文本段的校验结果恢复系统初始状态时的文本段具体可以为：先根据快速恢复内存段中存储的系统初始状态时的文本段校验结果检查文本段是否被更改，如果未被更改则不进行操作，如果被更改则使用校验码进行纠错，从而恢复系统初始状态的文本段。

步骤S23，在捕获到系统异常时，根据所述数据段的内容恢复系统初始状态时的数据段；

所述根据所述数据段的内容恢复系统初始状态时的数据段具体可以为：将快速恢复内存段中存储的数据段的内容直接覆盖当前数据段。

步骤S24，在捕获到系统异常时，根据所述操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置恢复系统初始状态时的符号开始段。

所述根据所述操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置恢复系统初始状态时的符号开始段具体可以为：获取符号开始段的起始位置和终止位置，并将该内存段置零。

步骤S21至步骤S24无明确的先后之分，可以以任意顺序执行。

由于代码段、文本段和符号开始段被改写的机率较小，即使被改写了，其被异常修改的数据量也较小，因此完全可以通过记录相应内存段的起始和终止位置和相应内存段的校验验来实现对内存段的检验和恢复，通过这种方式可以极大地减少占用的内存空间，减少系统开销。

图5给出了本发明一种操作系统快速重启的方法实施例三示意图，本实施例除了包括方法实施例一的步骤外，所述步骤S3之前还包括步骤S4：判断所述步骤S2是否执行成功，如果是则执行步骤S3，否则进行系统复位重启。

由于快速重启不一定可以成功，例如代码段和文本段的内容使用校验结果进行恢复操作，由于任何校验方法的纠错能力都有限，若内容不能完全恢复，则快速重启失败，此时需要进行复位重启。

本方法实施例除了可以在方法实施例一的基础上进行上述扩展外，还可以在方法实施例二的基础上进行上述扩展。

图6给出了本发明一种操作系统快速重启的方法实施例四示意图，本实施例除了包括方法实施例三的步骤外，步骤S2中所述在捕获到系统异常时，还要分析系统异常的严重程度，并判断是否需要重启操作系统，如果是则根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段，否则进行操作系统自身修复。

本方法实施例除了可以在方法实施例三的基础上进行上述扩展外，还可以在方法实施例一或方法实施例二的基础上进行上述扩展。

在高级智能嵌入式系统中，重启通常意味着系统某些功能组件已经出现不可恢复异常，但并不一定意味着整个系统的崩溃。通过在操作系统的各个线程中增加异常捕获机制，用于捕获本线程的异常信息，分析异常的严重程度，并判断是否需要重启操作系统。当出现的异常不能通过操作系统自身进行修复时，则抛出一快速重启线程，用于启动并执行快速重启程序。该快速重启线程将.data段的内容恢复为系统开机时的初始值，并确保.code，.text，.bss段的内容没有被异常修改，此时内存中的镜像文件就与系统开机镜像文件完全一致，CPU再从位于.code段的主程序入口地址开始执行，完成操作系统主程序的重新加载，实现操作系统的快速重启。

为了恢复操作系统相关文件所在的.bss，.data，.code与.text段的内存，可以通过在内存段中增加一个受系统保护的快速恢复内存段(.config段)，用于保存与操作系统相关的内存段信息，在需要重启时，再将这些内存段恢复成操作系统初始状态时的内存段，这样，CPU就可以直接从.code段的主程序入口地址开始加载操作系统，实现快速重启。

为此，可以重新设计嵌入式系统内存分布图如图7所示，从图7中可见，.config段又被分为四小段空间，其作用如下：

在.config段中，分配P_vec空间，用于记录操作系统相关内存段在系统中的起始及终止位置，包括.code段，.text段，.data段和.bss段的起始及终止位置，同时记录用户配置的与快速重启相关信息。

对.code段，操作系统在正常运行过程中，是不会修改该内存段的内容，但在极端异常情况下，需要考虑该内存段中某些内容可能被错误读写，由于.code段保存的是操作系统的全部可执行代码，代码量相当大，如果全部单独保存到另一内存中，会增加系统开销，同时，由于该内存段被改写的机率较小，即使被改写了，其被异常修改的数据量也较小，因此，可以将.code段中的内容作一个校验，例如CRC校验，由于校验数据非常小，不会增加系统开销。将效验结果保存到.config段的P_code空间中，在系统异常重启时，采用P_code中的内容恢复.code段中的数据。由于任何一种校验方法的纠错能力都有限，若内容不能完全恢复，则快速重启失败，需要进行复位重启。

对.text段，采用与.code相同的校验方式来进行处理。

对.data段，在操作系统中，对全局变量的使用有严格要求，因此该段的内容较少，且该内存段在操作系统正常工作时会被修改，不能采用校验的方式进行恢复，因此，需要将该内存段的内容完整的保存到.config段的P_data空间中，在快速重启时，将该空间中的内存直接覆盖掉.data内存段即可。

对.bss段，由于其起始与终止地址均保存于P_vec空间中，只需要将.bss所有的内存段置为零即可。

图8给出了本发明一种操作系统快速重启的方法较优实施例示意图。通过在系统出现异常时进行捕获，并创建一个单独的进程进行快速重启，同时其它进程继续运行，快速重启具体通过校验恢复.code段、校验恢复.text段、覆盖.data段和清零.bss段来完成相关内存段内容的恢复，最后CPU从位于.code段的主程序入口地址开始执行，完成操作系统主程序的重新加载，实现操作系统的快速重启。

通过上述操作，可以恢复主程序镜像文件，再强制CPU指针跳转到.code段中的主程序入口地址，开始运行主程序，重新加载操作系统，此时，相对正常的重启，已经减少了前三个操作步骤，即：从Nor Flash中读取Bootloader镜像程序，Bootloader程序运行，从Nand Flash中加载主程序，大大缩短了重启动时间。同时由于操作系统镜像文件恢复相关的数据操作都在内存中进行的，速度非常快，且可以通过操作系统的一个进程单独完成，因此不会带来额外的操作时间。

本发明还提供了一种操作系统快速重启的装置，图9给出了本发明一种操作系统快速重启的装置实施例一示意图，所述装置包括快速恢复存储模块M1、系统异常捕获模块M2、快速重启模块M3和主程序执行模块M4；

所述快速恢复存储模块M1用于在快速恢复内存段中存储系统初始状态时的操作系统相关内存段的信息；

所述系统异常捕获模块M2用于在捕获到系统异常时，通知快速重启模块进行操作系统快速重启；

所述快速重启模块M3与快速恢复存储模块M1和系统异常捕获模块M2连接，用于根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段，并在完成后通知主程序执行模块M4；

所述主程序执行模块M4与快速重启模块M3连接，用于CPU从主程序入口地址执行主程序。

图10给出了本发明一种操作系统快速重启的装置实施例二示意图，本实施例除了包括装置实施例一的结构特征外，所述快速重启模块M3包括代码段恢复单元M31、文本段恢复单元M32、数据段恢复单元M33和符号开始段恢复单元M34；

所述代码段恢复单元M31用于根据代码段的校验结果恢复系统初始状态时的代码段；

所述文本段恢复单元M32用于根据文本段的校验结果恢复系统初始状态时的文本段；

所述数据段恢复单元M33用于根据数据段的内容恢复系统初始状态时的数据段；

所述符号开始段恢复单元M34用于根据操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置恢复系统初始状态时的符号开始段。

图11给出了本发明一种操作系统快速重启的装置实施例三示意图，本实施例除了包括装置实施例一的结构特征外，所述装置还包括快速重启判断模块M5，与快速重启模块M3连接，用于判断快速重启模块的操作是否成功，如果不成功则进行系统复位重启。

本装置实施例除了可以在装置实施例一的基础上进行上述扩展外，还可以在装置实施例二的基础上进行上述扩展。

图12给出了本发明一种操作系统快速重启的装置实施例四示意图，本实施例除了包括装置实施例三的结构特征外，所述装置还包括系统异常分析模块M6，与系统异常捕获模块M2和快速重启模块M3连接，用于在捕获到系统异常时，分析系统异常的严重程度，并判断是否需要重启操作系统，如果是则调用快速重启模块M3，否则进行操作系统自身修复。

本装置实施例除了可以在装置实施例三的基础上进行上述扩展外，还可以在装置实施例一或装置实施例二的基础上进行上述扩展。

本发明又提供了一种网络设备，图13给出了本发明一种网络设备实施例示意图，所述网络设备包括上述装置实施例一至装置实施例四所述的任意装置。

所述网络设备可以为交换机，路由器等高级嵌入式网络设备，对其它非网络设备，本发明同样适用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种操作系统快速重启的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S3，CPU从主程序入口地址执行主程序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作系统相关内存段的信息包括：操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置、代码段的校验结果、文本段的校验结果和数据段的内容。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段具体为：根据所述代码段的校验结果恢复系统初始状态时的代码段；根据所述文本段的校验结果恢复系统初始状态时的文本段；根据所述数据段的内容恢复系统初始状态时的数据段；根据所述操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置恢复系统初始状态时的符号开始段。

4.根据权利要求1-3所述的任一方法，其特征在于，所述步骤S3之前还包括步骤S4：判断所述步骤S2是否执行成功，如果是则执行步骤S3，否则进行系统复位重启。

5.根据权利要求1-3所述的任一方法，其特征在于，步骤S2中所述在捕获到系统异常时，还要分析系统异常的严重程度，并判断是否需要重启操作系统，如果是则根据快速恢复内存段的存储内容恢复系统初始状态时的操作系统相关内存段，否则进行操作系统自身修复。

6.一种操作系统快速重启的装置，其特征在于，所述装置包括快速恢复存储模块、系统异常捕获模块、快速重启模块和主程序执行模块；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述快速重启模块包括代码段恢复单元、文本段恢复单元、数据段恢复单元和符号开始段恢复单元；

所述代码段恢复单元用于根据代码段的校验结果恢复系统初始状态时的代码段；

所述文本段恢复单元用于根据文本段的校验结果恢复系统初始状态时的文本段；

所述数据段恢复单元用于根据数据段的内容恢复系统初始状态时的数据段；

所述符号开始段恢复单元用于根据操作系统相关内存段在系统中的起始位置和终止位置恢复系统初始状态时的符号开始段。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括快速重启判断模块，与快速重启模块连接，用于判断快速重启模块的操作是否成功，如果不成功则进行系统复位重启。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括系统异常分析模块，与系统异常捕获模块和快速重启模块连接，用于在捕获到系统异常时，分析系统异常的严重程度，并判断是否需要重启操作系统，如果是则调用快速重启模块，否则进行操作系统自身修复。

10.一种包括权利要求6-9任一所述装置的网络设备。