CN109542831B - 机载平台多核虚拟分区处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种机载平台多核虚拟分区处理系统，旨在提供一种能够增强航电系统集成度，提高处理效率，降低系统功耗的多核虚拟分区处理系统。本发明通过下述技术方案予以实现：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。

Description

机载平台多核虚拟分区处理系统
技术领域
本发明涉及一种适用于机载平台的多核虚拟分区处理系统的实现方式。
背景技术
系统单芯片SoC处理器都集成了一系列的核心、加速器和其它处理单元。这些异质的多核架构提供了更多的计算能力，但其复杂性也为各种应用中嵌入系统的开发人员带来了新的挑战。多芯片架构中最大的设计挑战之一是用某种方式的分区工作，以将资源需求平均地分配给所有处理器。在基于软件的虚拟化中，这个过程可能非常耗时，为设计人员增加了负担，包括高效管理空闲内存池的挑战。另外，软件的任何修改都可能为资源需求带来变化，这就需要开发人员重新划分系统分区。非对称和对称多处理器架构都有很多这类问题。多核环境中并发、资源共享和任务迁移等特性,导致分区操作系统的安全关键任务调度存在较大的不确定性。在一个传统架构中，处理器通过一个软件层，管理着自己对共享资源的访问。随着处理数量的增加，资源共享的复杂性也在增长。基于软件虚拟化的一个缺点在于，它为数据包存储以及接下来数据包获取的每个事务都引入了一个开销。这种开销消耗了处理器周期，为代码处理带来了复杂性。它还给虚拟化软件带来了带宽管理和满足预订保证的负担。即使通过工具实现了虚拟化代码的自动化创建，开发者仍然必须在应用交互通过虚拟化代码时，进行查错调试。随着处理器数量的增长，资源共享的复杂性与开销也在增加，虚拟化增加了开销和复杂性，限制了多核SoC的使用。在基于软件的资源共享实现中，一个损坏的应用可能忽视自己的带宽配额，而去独占一个共享资源。同样，如果掌控虚拟化的处理器损坏，则队列机制就会失效，使整个系统宕机。高性能多核处理器和虚拟化技术的出现为实现资源综合带来了希望。将并行处理机结构中的多处理机节点的功能集成到同一个多核处理器芯片内，并通过虚拟化技术对各个功能进行隔离保护，是实现航电系统深度综合化、高性能处理、高可靠性、高安全性的有效技术手段和途径，是未来航电系统核心处理能力发展的关键技术。
随着用户对机载平台电子系统或电子整机的高度综合化要求不断提升，航空电子系统体系结构的发展经历了分立式体系、联合式体系、综合模块化(IMA)航空电子体系等阶段，机载航电系统正朝小型化、轻型化、低功耗、高可靠性、高安全性方向发展。目前，机载电子系统已经朝着综合化、模块化方向发展,支持分区的机载操作系统开始大量采用分区操作系统成为航空电子计算机操作系统的必然选择。分区操作系统经过宏内核结构、微内核结构,正在向微内核虚拟化的方向发展。
目前最常见的支持多核处理器平台的操作系统体系结构有对称多处理.构架和非对称多处理甈构架两种。这两种操作系统的结构、代码和数据区的分配方面差别很大。分区在多核上的部署有分区间并行和分区内并行,分区间并行即每个分区部署在在不同处理器核上,分区在时间上并行运行。分区内并行即每个分区部署在所有处理器核心,分区内任务在时间上并行运行。一个分区在一个或多个核上激活,每个分区都在对应核上运行。这种方式下多个分区间并行执行。同一时刻所有分区同时运行在各自对应和核上。经过多年的发展，国内外研究人员在多核处理技术和虚拟化分区处理技术方面积累了一定的研究成果，但是从应用场景来看，现有多核处理技术、虚拟化分区处理技术还存在许多不足，主要包括：
1、多核处理技术还未广泛应用于机载航电系统。一方面，机载平台的航电系统的主流仍采用模块堆叠的DIMA分布式综合模块化构架。另一方面，即使是采用多核处理器的航电设备往往只是利用了多核处理器中的单核处理，并没有将多核处理器的优势充分发挥出来。系统开发者需要根据系统所实现的功能及性能要求，以及对外通信接口种类、数量、速率及协议要求等，评估出对多核处理器性能要求，包括处理器指令执行速率，工作频率，存储系统数据传输速率，对外通信接口的接口类型及速率等指标要求，以此来确定要开发的嵌入式系统的多核处理器选型。系统开发者需要从功能实现的角度，综合考虑功能的性能要求、占用的硬件资源等因素。
2、多核处理技术与虚拟化技术没有结合。目前正在部署应用的多核处理技术主要包括对称多处理SMP和非对称多处理AMP，还没有在多核处理之上应用虚拟化技术，实现对底层硬件资源访问时的互相隔离，各个内核之间耦合度高，一旦一个进程出现故障会导致进程间的关联故障，最终导致整个处理器崩溃，降低了系统的可靠性。
3、没有有效的I/O管理和HM健康管理手段。目前的机载航电设备虽然有接口控制管理、健康管理等功能，但是这些管理功能的进程跟用户应用功能的进程在执行时交联在一起。一旦用户应用功能的进程出现异常，这些管理功能也将随之受到影响，无法起到真正有效的作用。
4、不支持多用户协同开发的条件，系统联试效率较低。目前采用SMP和AMP多核处理的机载航电设备在同一时间仅支持一个用户在硬件平台上进行开发，不便于系统联试，导致效率较低，联试耗费时间与用户数量之间成指数级增长。
发明内容
本发明的目的是针对以上描述的现有机载平台多核虚拟分区处理技术的不足，提供一种能够增强航电系统集成度，提高航电系统处理效率，降低航电系统功耗，提高航电系统的可靠性和安全性的机载平台多核虚拟分区处理系统。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区，其特征在于：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。
本发明具有如下有益效果：
增强航电系统集成度。本发明采用一个统一的核心操作系统软件，运行在多核处理器的硬件平台上，多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述四个相互独立系统，4个层级实现多用户协同开发功能，支持多用户协同开发的条件，减小设备体积和重量，降低设备功耗，增强了航电系统的集成度，克服了现有技术不便于系统联试，联试效率较低的缺陷。
本发明的小型化、轻型化、低功耗的优点主要体现在发明采用先进工艺的多核处理器结合虚拟化分区处理技术，把系统功能划分成若干个子功能，各子功能相互独立，且每个子功能单独分配在一个虚拟分区中运行。这样就大大提高了机载航电系统的集成度，减少了机载航电系统在进行综合模块化设计时的模块数量，从而实现航电系统减小体积、减轻重量和降低功耗。
提高系统联试效率。本发明利用了多核处理器，在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统MOS运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应若干个用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互。完成对各分区的独立访问，为用户提供独立调试作业的功能，构建多用户协同开发的平台，优化并行处理算法，提高多核的使用效能，降低系统功耗，提高了航电系统的联试效率。
本发明的高效率开发的优点主要体现在发明支持多用户协同开发。在I/O管理分区管理系统所共用的外设接口，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互。I/O管理分区根据数据传输协议对数据解析，用户使用共享接口(如网口)完成对各分区的独立访问，为用户提供独立调试作业的功能，构建多用户协同开发的平台。
提高了系统的可靠性和安全性。本发明在硬件上利用多核处理技术将原先由多个模块才能实现的功能整合至一个模块；操作系统上使用分区操作系统和虚拟化技术实现分区并行处理和用户之间的访问隔离；在多用户共享同一硬件平台的基础上，实现时间间隔，空间间隔和资源访问隔离，实现用户应用程序之间安全隔离，提高系统可靠性和安全性，解决了一个进程出现故障会导致进程间的关联故障，最终导致整个处理器崩溃，降低系统的可靠性问题。软件上多核处理技术结合虚拟化技术，各用户程序之间的耦合小，任意用户程序异常不能影响其他应用，并提供有效的保护机制。用户程序能够实现独立开发和测试，由集成团队负责整合和综合测试验证；提供有效故障维护和检测，便于应用程序维护和故障处理。
发明的高可靠性、高安全性的优点主要体现在不仅采用虚拟化分区技术实现了各个分区中应用程序之间的访问隔离，而且独立设置了2个互为备份的I/O资源控制管理分区和1个健康管理分区。一方面，多核处理器硬件平台运行核心操作系统以及系统监管软件虚拟机；在虚拟机上运行若干个分区及其对应的分区操作系统和应用程序，并且由虚拟机负责监管、控制每个分区的应用程序对底层硬件资源的访问。分区隔离降低了单个应用程序对整个航电系统的影响。另一方面，互为备份的2个I/O管理分区对硬件平台的接口资源进行控制管理，隔离来自于外部接口的影响。健康管理分区负责监控系统软件和硬件的故障和失效，警报检测、警报记录、警报响应的服务，并且隔离故障防止失效蔓延。
本发明将多核处理技术与虚拟化分区处理技术相结合。由于虚拟机具有隔离作用，系统开发者在不同内核之上运行的分区，可以同时运行，使用的运算资源、存储资源和接口资源均相互独立，不需要分区调度和任务调度。同样由于虚拟机具有隔离作用，系统开发者在同一个内核上运行的分区，使用的运算资源、存储资源和接口资源均相互独立，克服了现有技术不支持多用户协同开发的条件，系统联试效率较低。目前采用SMP和AMP多核处理的机载航电设备在同一时间仅支持一个用户在硬件平台上进行开发，不便于系统联试，导致效率较低，联试耗费时间与用户数量之间成指数级增长的问题。
本发明能够同时具备小型化、轻型化、低功耗、高可靠性、高安全性和高效率开发等优点，适用于机载平台多用户协同开发的多核虚拟分区处理系统和机载平台多用户协同开发。
附图说明
图1是本发明机载平台多核虚拟分区处理系统示意图。
图2是图1多核虚拟分区处理系统实现多用户协同开发的示意图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
在以下描述的实施例中，一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区。其中，多核处理器硬件平台包括物理实体的多核处理器器件、多核处理器内部丰富的运算资源，以及和外部相连的存储资源器件和接口资源器件，这些硬件资源构成一个典型的嵌入式系统。多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统POS，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。
多核处理器包含其内部的若干个内核和实现指令执行的运算资源；外部的存储资源为处理器内核的运算提供指令和数据的存储空间，接口资源为多核处理器提供与外部设备进行数据交互的通道。
核心操作系统包含运行在多核处理器上的底层MOS(module OS)和上层POS(partitioned OS)，MOS中运行系统监管软件虚拟机，加载所有虚拟机客户端，同时为虚拟机分配内存、磁盘和网络等。
分区操作系统包含运行在虚拟机上的上层POS(POS，Partitioned OS)和提供给对应I/O管理分区管理系统若干个应用程序的API(Application Programming Interface)接口。
I/O管理分区管理系统包含所有用户功能模块的若干个分区应用程序和接口管理程序、接口备份管理程序和健康管理程序，每个分区应用程序通过分区间端口与所述接口管理程序、接口备份管理程序和健康管理程序应用程序进行通信，并且2个互为备份的I/O管理程序和1个健康管理程序分别运行在各自的分区内。
多核虚拟分区处理系统可以同时实现机载平台上若干个相互独立的不同用户功能模块，比如卫通功能、航管功能、罗盘功能等，为每个功能模块单独分配一个独立的分区，功能模块的应用程序在这个单独的虚拟分区中运行。
各个虚拟分区中的分区应用程序完全独立运行，由与分区操作系统相连的虚拟机进行管理，除了实现用户功能的分区以外，系统开发者在其中一个内核的虚拟机上单独设置I/O管理分区和HM健康管理分区，以此来提高多核嵌入式系统的可靠性和安全性。不同的用户可以通过I/O管理分区的共享接口和分区间端口通信的方式，实现同时对不同分区的独立访问，实现多用户协同开发。
多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统，运行在上述四个相互独立系统分区之上的若干个用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统MOS上运行中间软件层虚拟机。虚拟机具有系统监管功能，提供分区运行的环境，管理同一个内核上的分区调度，负责分区间通信，通过核心操作系统的管理对底层运算资源、存储资源和接口资源等硬件进行操作和控制。分区操作系统管理各自对应的分区内资源，管理各自对应的应用程序中任务调度，并向应用程序提供应用程序API接口服务。
机载平台的多核虚拟分区处理系统中彼此独立的分区数量为M个，且多核处理器的第k个内核上运行Mk个分区，每一个分区中运行一个应用程序，即满足M＝∑Mk，其中，k＝1,2，……，N；第k个内核上的每个分区上分别运行分区操作系统为POS 0，POS1，……，POS(Mk-1)。所有分区中的应用程序总数也满足M＝∑Mk，其中，k＝1,2，……，N。
多核处理器硬件平台将第N个内核作为I/O管理分区管理系统的控制管理，它的上面运行3个专用的管理分区，分别为接口管理分区、接口备份管理分区和健康管理分区。
接口管理分区、接口备份管理分区运行的分区操作系统和接口管理程序、接口备份管理程序专门用于对I/O资源进行控制管理。其它所有分区中的应用程序必须通过分区间端口通信与接口管理分区、接口备份管理分区交换数据，从而间接地访问底层硬件接口资源。并且，当其中1个I/O管理分区的管理进程出现异常时，另外1个I/O管理分区的管理进程仍然可以完成执行接口资源管理的任务。
健康管理中心分区负责监控硬件、应用程序和操作系统的故障和失效，并且隔离故障防止失效蔓延。健康管理程序在进程、分区、模块3个层级提供警报检测、警报记录、警报响应的服务，进行健康监控。根据错误级别决定警报响应的操作：模块级别的响应包括复位和关机；分区级别的响应包括重新启动分区；进程级别的响应包括重新加载执行进程。
本发明的机载平台多核虚拟分区处理系统支持多用户协同开发。在I/O管理分区管理系统所共用的外设接口，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互。I/O管理分区根据数据传输协议对数据解析，用户使用共享接口(如网口)完成对各分区的独立访问，为用户提供独立调试作业的功能，构建多用户协同开发的平台。
参阅图2。多核处理器硬件平台由下到上分为外围设备、多核处理器硬件平台、分区操作系统、以及分区间端口通信四层。其中多核处理器硬件平台、分区操作系统在上文中已做过介绍。外围设备由若干个用户的终端计算机和一台公用多口交换机组成。每台计算机至少包含一个通用异步串口UART，连接至多核处理器硬件平台。每台计算机至少包含一个以太网口，通过网线连接交换机来与多核处理器硬件平台的网口连接。
多核虚拟分区处理系统开发者在图1多核虚拟分区架构的基础上，通过对其中的分区操作系统添加相关操作系统组件，编写用户串口调试、分区间端口通信协议以及以太网口程序加载的功能函数，完成了多用户协同开发平台的构造。
分区操作系统中，I/O管理分区操作系统管理多核虚拟分区处理系统中所有用户分区操作系统共用的外设接口，例如网口等。在I/O管理分区操作系统中，包含共用接口所用到的操作系统组件和驱动程序，当用户操作系统分区需要使用共用接口与由若干个用户的终端计算机和一台公用多口交换机组成的外部设备交互时，用户分区操作系统首先将数据发送至I/O管理分区操作系统，再由I/O管理分区调用设备驱动将数据转发至外部交换设备，由交换设备分发至各用户的终端中。同理，当外部终端访问用户分区时，外部终端会统一访问I/O管理分区，再由I/O管理分区根据数据传输协议对数据解析，转发至目的用户分区。通过上述过程，用户可使用共享接口(如网口)完成对各分区的独立访问。
分区间端口通信是用户分区与I/O管理分区操作系统之间的通信方式。这种通信基于分区操作系统层，通过在分区操作系统的端口之间搭建通道完成分区之间的通信。具体实现方法为在分区操作系统中为每个分区添加端口，建立通道，配置通道参数来实现。每个通道采用单工方式，因此每个分区至少配置两个端口(收、发端口)和两个通道(收、发通道)。
工作流程为：多用户协同开发平台构建完毕后，用户可通过UART串口向其用户分区操作系统输入调试命令。用户分区操作系统可通过串口超级终端的通用异步收发器UART向用户发送命令反馈信息。在接受用户输入的程序加载命令后，用户分区操作系统会向I/O管理分区发起发送请求。I/O管理分区操作系统通过FTP加载的方式，通过网口获得用户终端的程序，然后加载至用户分区的内存中，完成程序加载。随后用户即可进行在线调试。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，由于上文提到模块装配的先后顺序可以随意变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区，其特征在于：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问；
分区操作系统包含运行在虚拟机上的上层POS和提供给对应I/O管理分区管理系统若干个应用程序的API接口；
各个虚拟分区中的分区应用程序完全独立运行，由与分区操作系统相连的虚拟机进行管理，其中一个内核的虚拟机上单独设置I/O管理分区和HM健康管理分区，不同的用户通过I/O管理分区的共享接口和分区间端口进行通信，实现同时对不同分区的独立访问；
多核处理器硬件平台将第N个内核作为I/O管理分区管理系统的控制管理，运行3个专用的管理分区，分别为接口管理分区、接口备份管理分区和健康管理分区；
接口管理分区、接口备份管理分区运行的分区操作系统和接口管理程序、接口备份管理程序专门用于对I/O资源进行控制管理，其它所有分区中的应用程序必须通过分区间端口通信与接口管理分区、接口备份管理分区交换数据，从而间接地访问底层硬件接口资源；
I/O管理分区管理系统包含所有用户功能模块的若干个分区应用程序和接口管理程序、接口备份管理程序和健康管理程序，每个分区应用程序通过分区间端口与所述接口管理程序、接口备份管理程序和健康管理程序应用程序进行通信，并且2个互为备份的I/O管理程序和1个健康管理程序分别运行在各自的分区内；
健康管理中心分区负责监控硬件、应用程序和操作系统的故障和失效，并且隔离故障防止失效蔓延；
健康管理程序在进程、分区、模块3个层级提供警报检测、警报记录、警报响应的服务，进行健康监控；根据错误级别决定警报响应的操作：模块级别的响应包括复位和关机；分区级别的响应包括重新启动分区；进程级别的响应包括重新加载执行进程。
2.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核处理器硬件平台包括物理实体的多核处理器器件、多核处理器内部丰富的运算资源，以及和外部相连的存储资源器件和接口资源器件，这些硬件资源构成一个典型的嵌入式系统。
3.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核处理器包含其内部的若干个内核和实现指令执行的运算资源；外部的存储资源为处理器内核的运算提供指令和数据的存储空间，接口资源为多核处理器提供与外部设备进行数据交互的通道。
4.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：核心操作系统包含运行在多核处理器上的底层MOS和上层POS，MOS中运行系统监管软件虚拟机，加载所有虚拟机客户端，同时为虚拟机分配内存、磁盘和网络。
5.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核虚拟分区处理系统同时实现机载平台上若干个相互独立的不同用户功能模块，为每个功能模块单独分配一个独立的分区，功能模块的应用程序在这个单独的虚拟分区中运行。
6.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核虚拟分区处理系统中彼此独立的分区数量为M个，且多核处理器的第k个内核上运行Mk个分区，每一个分区中运行一个应用程序，并且满足M＝∑Mk；第k个内核上的每个分区上分别运行分区操作系统为POS0，POS1，……，POS(Mk-1)；所有分区中的应用程序总数也满足M＝∑Mk，其中，k＝1,2，……，N。
7.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：在I/O管理分区操作系统中，包含共用接口所用到的操作系统组件和驱动程序，当用户操作系统分区需要使用共用接口与由若干个用户的终端计算机和一台公用多口交换机组成的外部设备交互时，用户分区操作系统首先将数据发送至I/O管理分区操作系统，再由I/O管理分区调用设备驱动将数据转发至外部交换设备，由交换设备分发至各用户的终端中；同理，当外部终端访问用户分区时，外部终端会统一访问I/O管理分区，再由I/O管理分区根据数据传输协议对数据解析，转发至目的用户分区。
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