CN103942178A - 多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，包括如下步骤：步骤1，静态配置每帧消息的长度以及共享内存的大小；步骤2，将共享内存划分为用于同步消息的缓冲区和用于异步消息的队列，为实时操作系统以及非实时操作系统创建用于消息处理的进程，在多核处理器上注册核间中断;步骤3，操作系统之间进行通信，发送消息的操作系统将消息存入共享内存中对应的部分，并触发核间中断，由接收消息的操作系统响应核间中断，从共享内存拷贝出消息并向发送消息的操作系统发送反馈，完成通信。本发明预先规定消息采用的通信方式，不需要统一的映射表，便于进程的管理。

Description

多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法

技术领域

本发明属于嵌入式多核处理器领域，尤其涉及一种多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法。

背景技术

多核处理器在计算机领域中的应用日益广泛，不仅是在服务器、桌面系统中，在嵌入式领域，采用多核处理器作为系统的硬件平台也是一个发展趋势。多核处理器的硬件环境为多个不同类型的操作系统运行同一平台奠定了硬件基础。在这些嵌入式操作系统中，包括嵌入式实时操作系统和非实时操作系统。嵌入式实时操作系统具有响应及时、可裁剪、可靠性高的特点，且很多嵌入式实时操作系统是静态的，即运行在操作系统中的任务数量、优先级、任务栈大小、所占用资源多少等等都是运行前静态配置好的。而非实时操作系统不具备硬实时性能（即所有任务的运行不允许发生超时），但可以提供丰富的人机交互、多媒体等服务，如Android操作系统。在同一硬件平台上，将嵌入式实时操作系统和非实时操作系统结合起来可以优势互补，提供更多的功能，获得更高的硬件利用率，而二者之间的通信功能是其能够协同工作的重要保障。

目前，实现多个不同类型嵌入式操作系统运行在同一硬件平台的一种方法是采用基于嵌入式的虚拟化技术，即在硬件和操作系统之间增加一个独立的软件层来统一管理各种资源，抽象出虚拟的资源和标准的访问接口。而运行在该软件层的操作系统及其应用作为一个虚拟机通过该软件层提供的机制与其他虚拟机上的系统进行通信。例如IPC(Inter-ProcessCommunication，即进程间通信)机制。然而，虚拟化技术会给系统带来较大的额外开销，进程间的通信机制也往往是虚拟化方法中系统的瓶颈所在，影响系统的运行效率。另外，大部分用于嵌入式领域的虚拟化技术需要对操作系统的源代码进行修改从而实现操作系统内核和设备驱动的虚拟化移植。因此，为了弥补性能上的开销，采用嵌入式虚拟化技术的方法对硬件的性能要求较高，针对系统的开发人员来说，其工作量也较为繁重，系统的开发成本也比较大。

利用多核处理器丰富的硬件资源，采用分区隔离等技术将不同类型的操作系统绑定在不同的物理核心上运行也是一种可行的方法。在这种方法中，操作系统间的通信需要依靠到多核处理器间的核间通信。公开号为101266561的专利文献公布了一种在多核多线程处理器中的核间通信方法。它提供了一种在同一操作系统的统一管理下，在多核处理器中利用处理器核间中断实现了一种对多核处理器不同内核线程之间的通信方法。根据消息的类型在操作系统中建立映射表，使得运行在不同的处理器内核上的进程之间可以根据不同的消息类型保持同步或异步执行操作，从而实现了不同处理器核心进程间的通信。在该专利文献公开的方法中，操作系统通过映射表来同一查询消息的传递方式。但此方法针对于在同一操作系统的条件下，需要在该操作系统中维护统一的映射表、进程状态、中断等等功能结构及信息。这种方式在两个操作系统的环境下无法统一管理。对于在多核的处理器上，不同类型的操作系统绑定在不同处理器核心的前提下，此种方法还有待改进。

发明内容

本发明提供一种方法，预先规定消息采用的通信方式，而且由非实时系统和实时系统上分别的占用进程和任务完成通信，不需要统一的映射表。

一种多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，包括如下步骤：

步骤1，静态配置每帧消息的长度以及共享内存的大小；

步骤2，将共享内存划分为用于同步消息的缓冲区和用于异步消息的队列，为实时操作系统以及非实时操作系统创建用于消息处理的进程，在多核处理器上注册核间中断;

步骤3，操作系统之间进行通信，发送消息的操作系统将消息存入共享内存中对应的部分，并触发核间中断，由接收消息的操作系统响应核间中断，从共享内存拷贝出消息并向发送消息的操作系统发送反馈，完成通信。

两个操作系统没有统一维护的结构，而大多数实时操作系统是静态的操作系统，采用静态配置的方式配置共享内存使共享内存容易管理，每帧消息采用定长的格式进行静态配置也方便管理，能够较好判断队列是否溢出。

当需要传输的消息为CAN总线的协议数据时，在步骤1中将每帧消息的长度静态配置为10个字节。

每帧消息包括消息头和消息体，其中消息体头为2个字节。由于大部分传输的消息为CAN总线的协议数据，而CAN总线传输的最大长度为8个字节。因此可以将每帧消息长度设为8个字节。

其中，在步骤2中创建用于消息处理的进程处于挂起状态。

在创建时，进程处于挂起状态，有通信任务时才通过中断服务程序激活，可以减少系统开销。

在步骤3中，由操作系统中的中断服务程序判断核间中断的类型，并根据判断结果使相应的操作系统响应核间中断。

步骤2中注册的核间中断包括四种类型：非实时操作系统向实时操作系统发送消息的核间中断、实时操作系统向非实时操作系统发送反馈的核间中断、实时操作系统向非实时操作系统发送消息的核间中断、实时操作系统通知非实时操作系统消息发送结束的核间中断。

非实时操作系统向实时操作系统发送消息的核间中断以及实时操作系统向非实时操作系统发送反馈的核间中断用于同步通信，即由实时操作系统发送消息，由非实时操作系统接收消息。实时操作系统向非实时操作系统发送消息的核间中断以及实时操作系统通知非实时操作系统消息发送结束的核间中断用于异步通信，即由非实时操作系统发送消息，由实时操作系统接收消息。

其中在实时操作系统和非实时操作系统中的中断模块中均具有中断服务程序，中断服务程序与响应函数通过中断服务程序来判断核间中断的类型，并调用相应的响应函数实现核间中断，激活所需的进程。

步骤3中，发送消息的操作系统为非实时操作系统，则发送的消息为同步消息，非实时操作系统只有在接收到读取成功的反馈之后才进行下一帧消息的发送，对于各帧消息，通信的具体方法为：

步骤301，由非实时操作系统将该帧消息拷贝到共享内存中，接着触发核间中断；

步骤302，实时操作系统通过中断服务程序响应该核间中断，并激活任务并读取共享内存的消息，在读取结束后向非实时操作系统发送反馈；

步骤303，非实时操作系统根据反馈进行处理：读取成功则进入下一帧消息的发送；否则，将当前帧重复步骤301至302的操作，直至非实时操作系统接收到读取成功反馈，进入下一帧消息的发送，或者重复次数超过阈值，结束通信。

非实时操作系统只有在接收到读取成功的反馈之后才进行下一帧消息的发送，从而保证共享内存的缓冲区中消息的一致性，且其中在发送反馈时，通过实时操作系统触发“实时操作系统向非实时操作系统发送反馈”的核间中断，并由非实时操作系统响应此核间中断从而接收反馈。

在步骤302中，实时操作系统通过触发核间中断向非实时操作系统发送反馈，并由中断服务程序判断核间中断类型，根据判断结果使非实时操作系统响应该核间中断，接收反馈。

步骤3中，发送消息的操作系统为实时操作系统，则发送的消息为异步消息，所述通信的方法为：

步骤311，实时操作系统触发核间中断，非实时操作系统响应核间中断，激活消息处理的进程；

步骤312，实时操作系统连续地将多帧消息拷贝到队列中，当发送结束或队列即将溢出时，实时操作系统发送核间中断，等待非实时操作系统将消息拷贝出队列，拷贝结束后，非实时操作系统向实时操作系统进行反馈：若实时操作系统仍有消息未发送，则重复步骤311至312；否则发送结束。

在步骤311中触发核间中断用于通知非实时系统即将有消息进行通信，实时操作系统不需要等待非实时操作系统的响应即可将多帧消息拷贝到队列中。队列长度可能小于全部消息的长度，因此队列可能会发生溢出，需要在消息发送结束或者队列即将溢出时进行发送核间中断，等待非实时操作系统将消息拷贝出队列。如果还有消息则继续进行发送，重复步骤311至312，直至所有消息拷贝完毕。

在步骤2中，注册核间中断后在每个操作系统中新增一个进程用于处理步骤3中的通信，且在步骤3中，利用中断服务程序控制新增的进程状态变化。

其中新增的进程作用包括：用于接收消息过程中对消息进行初步的处理，读取消息的消息头，找到并激活接收此帧消息的对应进程或任务；处理接收到的反馈，判断发送成功或失败。

实时操作系统为SmartOSEK系统。

SmartOSEK系统是静态的操作系统，它的静态特性决定了其所占用的内存空间以及资源情况都是基于静态配置的，并且其运行过程中不要求分页。

本发明技术方案的所达到的目的和效果是尽可能地平衡实时操作系统与非实时操作系统之间的性能差异。实时操作系统向非实时操作系统传输的速度通常要高于非实时操作系统响应接受消息的速度，并且实时操作系统发送消息的频率会较高，若非实时操作系统对单个消息进行逐一响应，会对非实时系统的性能造成较大的影响。因此，采用异步的传输方式可以缓解二者实时性上的差异。而非实时操作系统向实时操作系统发送的消息通常会涉及控制的命令流，需要保证消息的正确和有序，因此，按照单消息帧同步的形式传输，确保发生和接受消息帧的一致性，当存在实时操作系统与非实时操作系统通信错误及时采取重发的方式进行错误恢复。另外，本技术方案中采用定长格式的通信传输可以简化通信过程中对消息溢出等异常处理的操作流程。

附图说明

图1为本发明方法中每一帧消息的结构示意图；

图2为本发明方法一个实施例中所采用的系统框架示意图；

图3为本发明当前实施例同步通信的原理示意图；

图4为本发明当前实施例异步通信的原理示意图；

图5为本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

现结合实施例和附图对本发明进行详细解释。本发明当前实施例以在OMAP4460开发板上ARM双核处理器上同时运行的Android操作系统和SmartOSEK操作系统为例，通过二者之间的通信。对本发明的技术方案做进一步阐述，这两个操作系统采用隔离等方法同时运行，其中Smart OSEK系统为实时操作系统，Android系统为非实时操作系统。

本实施方式的运行整体环境如下：

将OMAP4460开发板硬件平台隔离为不同计算区域。以ARM多核硬件处理器的核心为单位，将SmartOSEK系统和Android系统分别绑定在同构的两个物理的处理器的核心上，提供有效的隔离保护机制，确保二者在同一硬件平台相互独立地协同运行。分区隔离方案的系统结构如图2所示，是该系统用于车载信息系统平台的应用结构图，Android系统上运行了车载娱乐、信息监控等应用程序，SmartOSEK实时系统上运行了一系列与汽车实时采集、控制相关任务。其中SmartOSEK实时操作系统是由浙江大学嵌入式工程中心根据国家汽车电子软件发展的需求而自主研发的符合OSEK/VDX标准的嵌入式实时操作系统。OSEK/VDX是国际汽车工业为提高汽车电子软件的重用性，降低软件开发成本而提出的汽车开放结构的工业标准。SmartOSEK系统是静态的操作系统，它的静态特性决定了其所占用的内存空间以及资源情况都是基于静态配置的，并且其运行过程中不要求分页。在编译阶段就要确定其与非实时操作系统的共享内存的大小和地址空间。

Android系统与SmartOSEK系统之间的消息传输需求如下：SmartOSEK系统需要将实时采集到的协议数据（异步消息）如CAN总线数据发送给Android操作系统上的相关应用程序，以便用户检测；而Android操作系统需要根据用户的需求向SmartOSEK系统发送控制命令流（同步消息），以达到对控制系统的图形化操作等等。

如图5的流程图所示，具体的实施方法如下：

步骤1，静态配置每帧消息的长度以及共享内存的大小。

大部分操作系统的内存管理都是采用分页的，页表中有这一个页对应的虚拟地址和物理地址的映射表，每页就是一块固定大小的内存。静态配置共享内存就是将一页特定作为共享内存（图2中的共享内存段）使用，初始化过程中存储器页表初始化中就是对页表进行配置，划分出一块两个操作系统共享的地址空间，由于是用于两个操作系统，因此要把这段地址空间让两个操作系统都能够访问到。

在编译过程中确定以Android系统内核中一个物理存储页的大小作为共享内存的大小，并将Android系统和SmartOSEK系统通信的消息帧长度即CONFIG_MESSAGE_FRAME_SZ进行定长的静态配置。每一帧消息的结构如图1所示，包括消息头和消息体，由于考虑到需要传输的大部分消息为CAN总线的协议数据，CAN总线传输的最大长度为8个字节，将每帧消息的长度设置为10个字节。

步骤2，将共享内存划分为用于同步消息的缓冲区和用于异步消息的队列，为实时操作系统以及非实时操作系统创建用于消息处理的进程，在多核处理器上注册核间中断。

其中，缓冲区的大小取决于步骤1中静态配置的每帧消息的长度，缓冲区在写入一帧消息后需要接收方读取后再写入下一帧覆盖之前的消息；队列可以连续地接收存储多帧消息，直到发送结束或队列满为止。步骤2是初始化阶段，在Android系统内核初始化过程的末尾增加创建一个进程，专门用于处理与SmartOSEK系统的通信，并封装OMAP4460的核间中断，在Android系统运行的主核cpu0上注册核间中断，即注册四个核间通信的信号。分别：IPI_OSEK_START、IPI_OSEK_SEND_DONE、IPI_ANDROID_PUSH以及IPI_OSEK_PULL。表1为这四个系统调用的函数在通信过程中对应的触发信号所执行的操作。当发生核间中断时，由中断处理函数osek_handle_IPI()统一处理，该函数的作用是判断当前触发的核间中断类型并调用相应的响应函数。

表1触发核间通信执行的操作

步骤3，操作系统之间进行通信，发送消息的操作系统将消息存入共享内存中对应的部分，并触发核间中断，由接收消息的操作系统响应核间中断，从共享内存拷贝出消息并向发送消息的操作系统发送反馈，完成通信

在步骤3中，通信方式分为同步通信和异步通信两种。

同步通信如图3所示，当Android操作系统有消息将要发送时，首先将消息拷贝到共享内存的缓冲区中，同时向SmartOSEK系统发送信号，触发核间中断。SmartOSEK系统的内核立即响应此中断，在内核的中断服务程序中读取缓冲区中的消息，并在读取结束后向Android系统反馈消息接收成功或接收失败，Android系统只有在接收到SmartOSEK系统内核的只有在接收到读取成功的反馈之后才进行下一帧消息的发送，Android系统根据反馈进行处理：读取成功则进入下一帧消息的发送；否则，将当前帧重复步骤301至302的操作，直至非实时操作系统接收到读取成功反馈，进入下一帧消息的发送，或者重复次数超过阈值，结束通信。从而保证共享内存的缓冲区中消息的一致性。这种通信方式主要应用于Android系统向SmartOSEK系统的实时内核发送有序的命令流。

异步通信如图4所示。当SmartOSEK系统有消息发送时，SmartOSEK系统实时内核首先向Android系统发送信号，触发核间中断通知Android系统即将有消息进行通信，Android系统激活消息处理进程。SmartOSEK系统不需要得到Android系统的回应，即可连续地把消息拷贝到共享内存Android系统对应的用于异步消息的队列中，队列包括若干异步队列单元，当消息发送结束或异步通信队列即将溢出时，SmartOSEK触发核间中断，等待Android系统将消息拷贝出异步通信队列，拷贝结束后，Android系统会触发核间中断，通知SmartOSEK系统完成拷贝。这样做的目的在于缓解Android系统的内核和SmartOSEK系统内核实时性的差异。

本发明预先规定消息采用的通信方式，不需要统一的映射表，便于进程的管理。

Claims (9)

1.一种多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，静态配置每帧消息的长度以及共享内存的大小；

步骤2，将共享内存划分为用于同步消息的缓冲区和用于异步消息的队列，为实时操作系统以及非实时操作系统创建用于消息处理的进程，在多核处理器上注册核间中断;

步骤3，操作系统之间进行通信，发送消息的操作系统将消息存入共享内存中对应的部分，并触发核间中断，由接收消息的操作系统响应核间中断，从共享内存拷贝出消息并向发送消息的操作系统发送反馈，完成通信。

2.如权利要求1所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，当需要传输的消息为CAN总线的协议数据时，在步骤1中将每帧消息的长度静态配置为10个字节。

3.如权利要求1所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，其中，在步骤2中创建用于消息处理的进程处于挂起状态。

4.如权利要求1所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，在步骤3中，由操作系统中的中断服务程序判断核间中断的类型，并根据判断结果使相应的操作系统响应核间中断。

5.如权利要求4所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，步骤3中，发送消息的操作系统为非实时操作系统，则发送的消息为同步消息，非实时操作系统只有在接收到读取成功的反馈之后才进行下一帧消息的发送，对于各帧消息，通信的具体方法为：

步骤301，由非实时操作系统将该帧消息拷贝到共享内存中，接着触发核间中断；

步骤302，实时操作系统通过中断服务程序响应该核间中断，并激活任务并读取共享内存的消息，在读取结束后向非实时操作系统发送反馈；

步骤303，非实时操作系统根据反馈进行处理：读取成功则进入下一帧消息的发送；否则，将当前帧重复步骤301至302的操作，直至非实时操作系统接收到读取成功反馈，进入下一帧消息的发送，或者重复次数超过阈值，结束通信。

6.如权利要求5所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，在步骤302中，实时操作系统通过触发核间中断向非实时操作系统发送反馈，并由中断服务程序判断核间中断类型，根据判断结果使非实时操作系统响应该核间中断，接收反馈。

7.如权利要求5所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，步骤3中，发送消息的操作系统为实时操作系统，则发送的消息为异步消息，所述通信的方法为：

步骤311，实时操作系统触发核间中断，非实时操作系统响应核间中断，激活消息处理的进程；

步骤312，实时操作系统连续地将多帧消息拷贝到队列中，当发送结束或队列即将溢出时，实时操作系统发送核间中断，等待非实时操作系统将消息拷贝出队列，拷贝结束后，非实时操作系统向实时操作系统进行反馈：若实时操作系统仍有消息未发送，则重复步骤311至312；否则发送结束。

8.如权利要求1所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，在步骤2中，注册核间中断后在每个操作系统中新增一个进程用于处理步骤3中的通信，且在步骤3中，利用中断服务程序控制新增的进程状态变化。

9.如权利要求1所述多核处理器上实时操作系统与非实时操作系统之间的通信方法，其特征在于，实时操作系统为SmartOSEK系统。