CN109976925B - 一种基于混合多系统核间实时通信的方法和系统 - Google Patents

一种基于混合多系统核间实时通信的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于混合多系统核间实时通信的方法和系统，所述方法包括：当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用将所述数据填充到网络应用层数据包中，通过网络协议栈发送所述数据包到底层网络驱动，所述底层网络驱动将所述数据包解析后封装成新的数据包格式，将所述数据包填充到对应的映射的共享内存数据区；填充完成后，设置核间通信的标志位，触发核间中断或者核间通知，通知另一操作系统处理器核接收所述数据包；另一操作系统处理器核检测并检查其标志位是否为另一核产生的核间通知，如果是，则响应所述中断，从所述共享内存数据区中获取数据，提交到自身的协议栈，并提交到用户层进行处理，屏蔽了用户层对底层的直接操作，实现混合多系统或者AMP模式下的数据通信。

Description

一种基于混合多系统核间实时通信的方法和系统
技术领域
本发明涉及核间通信领域，具体涉及一种基于混合多系统核间实时通信的方法和系统。
背景技术
本发明涉及到嵌入式领域多核处理器在同时运行不同系统的同时，实时的进行核间数据交换方案。近些年随着处理器技术的发展，多核同构、多核异构处理器的出现使得嵌入式领域的软硬件方案更多元化。在多核处理器中可以利用多核特性让不同核心并行运行不同的操作系统进而解决应用生态、实时性等特异性整合需求，在这种类型的环境中各个操作系统和处理器核间的数据交换的方式和性能就尤为重要。
目前，公知的多系统核间通信有以下两种：
(1)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。
(2)共享内存+IPC消息队列，即静态配置每帧消息的长度及共享内存的大小，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，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的对应的部分，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。
但是，目前这两种方法有着自身的缺陷和不足。
首先，虚拟化技术的方法有以下几点不足：
(1)实时性不足，多核多操作系统之间数据交换需要通过中间的虚拟机处理，势必造成实时性降低。
(2)增加系统资源的开销，虚拟机的创建需要额外的硬件资源提供支持。
(3)技术系数实现比较难，虚拟化技术实现上需要虚拟操作系统的实现。
其次，共享内存+IPC消息队列的方法有以下几点不足：
(1)在消息发送和接收时，共享内存中早已规定，消息的长度大小被限制，灵活性能差。
(2)对共享内存的数据分区比较多，为了应对不同的消息如同步消息和异步消息，分别划分了不同数据分区内存。
(3)对于多核多SMP系统并不支持，只能支持多核AMP系统模式。
(4)实现上比较繁琐，不同的传输的消息需要不同的驱动程序和应用程序实现，没有统一的传输框架支持。
发明内容
为了克服上述这种虚拟化技术的多核间多系统通信方法的不足，本发明提供了一种适用于嵌入式领域的新的多核间多系统通信方法的方案，不仅实现了通信之间的实时性，而且提供了虚拟网卡框架的技术来进行通信，使应用层可以直接通过网络编程的方式发送要通信的数据包，用户只需要知道各个系统的IP地址，而不必考虑具体的底层实现；
本发明解决问题所采用的技术方案是：共享内存+核间中断的方式实现一个虚拟网卡设备来实现混合多系统或者AMP模式下的数据通信。
一种基于混合多系统核间实时通信的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用将所述数据填充到数据包中，通过网络协议栈发送所述数据包到底层网络驱动，所述底层网络驱动将所述数据包解析后封装成新的数据包格式，将所述数据包填充到对应的映射的共享内存数据区；
步骤二，将所述数据包填充到所述共享内存数据区后，设置核间通信的标志位，触发核间中断或者核间通知，通知另一操作系统处理器核接收所述数据包；
步骤三，另一操作系统处理器核检测到所述核间中断，检查其标志位是否为另一核产生的核间通知，如果是，则响应所述中断，从所述共享内存数据区中获取数据，提交到自身的协议栈，并提交到用户层进行处理。
一种基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述系统包括：配置模块、核间通知模块和核间数据交换模块，所述核间通知模块和所述核间数据交换模块构成网络驱动层模块；其中，
所述配置模块，用以统一配置各系统的收发地址空间、各系统的映射关系表以及各系统通信的硬件地址和IP地址；
所述核间通知模块，用以通知指定的处理器核发送完成或者接收完成，利用各操作系统处理器的多核核间中断来实现，如果所述处理器存在专用的核间通知机制，则使用所述专用的核间通知机制来实现核间通知；
所述核间数据交换模块，用以从内存中获取解析数据以及规范系统之间传输数据的格式，采用虚拟网卡DMA数据传输方式，数据包在内存中采用环形列表方式排布，各操作系统之间均有相互读写数据的共享内存数据区，各个系统均可从相应的共享内存数据区内读写数据；
所述网络驱动层模块，用以将各操作系统之间的核间通信封装成所述虚拟网卡DMA数据传输通信，实现在各操作系统上建立虚拟网卡驱动。
进一步地，所述配置模块的具体配置信息包括：核间通信模块的版本号、各操作系统与处理器核的绑定关系、各操作系统的数据收发的物理内存地址、各操作系统的虚拟网卡控制结构体物理地址、各操作系统的MAC地址和各操作系统的IP地址。
进一步地，所述配置模块的具体配置过程包括：
步骤一，映射物理配置地址，映射的一块连续的物理内存地址；
步骤二，根据预配置写入所述处理器核和系统映射表；
步骤三，根据最大系统支持数和实际预留物理内存分配各操作系统之间的通信内存；
步骤四，根据最大系统支持数和实际预留物理内存分配各操作系统之间的控制内存；
步骤五，将所述通信内存及控制内存的物理首地址填入配置区域；
步骤六，根据所述操作系统的序号分配MAC地址和IP值，并填入所述配置区域；
步骤七，计算所述配置区域CRC填入所述配置区域末尾；
步骤八，所述配置过程结束。
进一步地，所述核间通知模块的具体通知过程包括：
步骤一，当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用编程将所述数据填充到数据包中，通过网络协议栈发送所述数据包到底层网络驱动，所述底层网络驱动将所述数据包解析后，将所述数据包填充到对应的映射的共享内存数据区；
步骤二，将所述数据包填充到所述共享内存数据区后，设置核间通信的标志位，触发核间中断或者核间通知，通知另一操作系统处理器核接收所述数据包；
步骤三，另一操作系统处理器核检测到所述核间中断，根据所述标志位接收所述数据包；
步骤四，所述通知过程结束。
进一步地，所述核间数据交换模块实现核间数据交换的过程包括数据发送过程和数据接收过程。
进一步地，所述数据发送过程具体包括：
步骤一，读取当前需要发送数据包的系统对应的发送偏移，其中所述发送偏移为所述发送的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤二，根据所述发送偏移获取发送包地址；
步骤三，等待所述数据包空闲；
步骤四，写入所述数据包的数据与数据包长度；
步骤五，设置所述数据包为满状态；
步骤六，发送核间通知；
步骤七，所述数据发送过程结束。
进一步地，所述数据接收过程具体包括：
步骤一，需要读取数据包的系统获得所述发送数据包的系统发送的所述核间通知；
步骤二，获取对应的系统接收偏移，其中所述接收偏移为接收的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤三，根据所述接收偏移获取包地址；
步骤四，等待所述数据包满；
步骤五，读取所述数据包数据；
步骤六，所述数据接收过程结束。
进一步地，所述网络驱动层模块包括共享内存发送模块、共享内存接收模块、中断处理与通知模块和初始化接口，并将上述四个模块封装成所述虚拟网卡驱动。
一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述处理器执行时，用以实现所述的系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)减少虚拟技术产生的过多硬件资源消耗。
(2)提供了将实时操作系统采集到的数据实时的传递给非实时操作系统进行处理。
(3)统一了系统内存资源，通信时不需要重复申请内存资源，减少了内存多次分配和回收造成的系统性能下降。
(4)实现了混合多系统SMP或者AMP模式下的数据通信。
(5)屏蔽了用户层对底层直接操作。
附图说明
图1为本发明实施例中基于混合多系统核间实时通信系统的总体框架结构图。
图2为本发明实施例中内存分配方式。
图3为本发明实施例中配置模块的具体配置过程的流程图。
图4为本发明实施例中核间通知模块的具体通知过程的流程图。
图5为本发明实施例中数据包在内存中的排布示意图。
图6为本发明实施例中核间数据交换模块实现核间数据交换过程的流程图。
图7为本发明实施例中网络驱动层模块的架构图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明解决问题所采用的技术方案是：共享内存+核间中断的方式实现一个虚拟网卡设备来实现混合多系统或者AMP模式下的数据通信。
当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用编程将数据填充到数据包中，数据通过网络协议栈发送到底层网络驱动，网络驱动将数据包解析后，填充到对应的映射的共享内存数据区，填充完成，设置核间通信的标志位，触发核间中断通知另一操作系统接收数据包；另一操作系统检测到核间中断到来，检查标志位是否为另一核产生的核间通知，如果是响应中断，从共享内存数据区中获取数据，提交到自身的协议栈，并最终提交到用户层进行处理。
通过这种共享内存+核间中断的方式实现一个虚拟网卡设备的方案屏蔽了用户层对底层的直接操作，实现混合多系统或者AMP模式下的数据通信。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，为本发明实施例中基于混合多系统核间实时通信系统的总体框架结构图。
一种基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述系统包括：配置模块、核间通知模块和核间数据交换模块，所述核间通知模块和所述核间数据交换模块构成网络驱动层模块；其中，
所述配置模块，用以统一配置各系统的收发地址空间、各系统的映射关系表以及各系统通信的硬件地址和IP地址；
所述核间通知模块，用以通知指定的处理器核发送完成或者接收完成，利用各操作系统处理器的多核核间中断来实现，如果所述处理器存在专用的核间通知机制，则使用所述专用的核间通知机制来实现核间通知；
所述核间数据交换模块，用以从内存中获取解析数据以及规范系统之间传输数据的格式，采用虚拟网卡DMA数据传输方式，数据包在内存中采用环形列表方式排布，各操作系统之间均有相互读写数据的共享内存数据区，各个系统均可从相应的共享内存数据区内读写数据；
所述网络驱动层模块，用以将各操作系统之间的核间通信封装成所述虚拟网卡DMA数据传输通信，实现在各操作系统上建立虚拟网卡驱动。
实施例2
如图2所示，为本发明实施例中内存分配方式。
所述内存分配为一块连续的物理内存地址，分别为配置区：用于对各系统的MAC地址、IP地址、校验码以及各系统核的数据控制地址、数据包收发物理地址；数据控制地址：用于获取各系统间的数据包接收情况、虚拟网卡是否启动；数据区：用于各系统间存放的数据收发的地址。
实施例3
如图3所示，为本发明实施例中本发明实施例中配置模块的具体配置过程。
所述配置模块的具体配置信息包括：核间通信模块的版本号、各操作系统与处理器核的绑定关系、各操作系统的数据收发的物理内存地址、各操作系统的MAC地址和各系统的IP地址。
所述配置模块的具体配置过程包括：
步骤一，映射物理配置地址，映射的一块连续的物理内存地址；
步骤二，根据预配置写入所述处理器核和系统映射表；
步骤三，根据最大系统支持数和实际预留物理内存分配各操作系统之间的通信内存；
步骤四，将所述通信内存的物理首地址填入配置区域；
步骤五，根据所述操作系统的序号分配MAC地址和IP值，并填入所述配置区域；
步骤六，计算所述配置区域CRC填入所述配置区域末尾；
步骤七，所述配置过程结束。
实施例4
如图4所示，为本发明实施例中核间通知模块的具体通知过程。所述核间通知模块的具体通知过程包括：
步骤一，当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用将所述数据填充到数据包中，通过网络协议栈发送所述数据包到底层网络驱动，所述底层网络驱动将所述数据包解析后，将所述数据包填充到对应的映射的共享内存数据区；
步骤二，将所述数据包填充到所述共享内存数据区后，设置核间通信的标志位，触发核间中断或者核间通知，通知另一操作系统处理器核接收所述数据包；
步骤三，另一操作系统处理器核检测到所述核间中断，根据所述标志位进行接收；
步骤四，所述通知过程结束。
实施例5
如图5所示，为本发明实施例中数据包在内存中的排布，核间数据交换主要功能是从内存中获取析数据以及规范系统之间传输数据的格式，实现上主要模仿了网卡DMA数据传输方式，数据交换包在内存中如环形列表一样排布如图4所示，每一个系统之间都有一对相互写数据的内存空间，各个系统均可从相应的地址空间内读写数据。
实施例6
如图6所示，为本发明实施例中核间数据交换模块实现核间数据交换的过程。所述核间数据交换模块实现核间数据交换的过程包括数据发送过程和数据接收过程。
所述数据发送过程具体包括：
步骤一，读取当前需要发送数据包的系统对应的发送偏移，其中所述发送偏移为所述发送的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤二，根据所述发送偏移获取包地址；
步骤三，等待所述数据包空闲；
步骤四，写入所述数据包的数据与数据包长度；
步骤五，设置所述数据包为满状态；
步骤六，发送核间通知；
步骤七，所述数据发送过程结束。
进一步地，所述数据接收过程具体包括：
步骤一，需要读取数据包的系统获得所述发送数据包的系统发送的所述核间通知；
步骤二，获取对应的系统接收偏移，其中所述接收偏移为接收的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤三，根据所述接收偏移获取包地址；
步骤四，等待所述数据包满；
步骤五，读取所述数据包数据；
步骤六，所述数据接收过程结束。
实施例7
如图7所示，为本发明实施例中网络驱动层模块的架构。所述网路驱动层模块包括共享内存发送模块、共享内存接收模块、中断处理与通知模块和初始化接口，并将上述四个模块封装成所述虚拟网卡驱动。
Linux操作系统和SylixOS操作系统的网卡驱动框架均包括共享内存发送模块、共享内存接收模块、中断处理与通知模块和初始化接口模块；其中，所述共享内存发送模块实现共享内存数据区对数据包的发送；所述共享内存接收模块实现共享内存数据区对数据包的接收；所述中断处理与通知模块利用各操作系统处理器的多核核间中断来通知指定的处理器核发送完成或者接收完成；所述初始化接口用以对接口进行初始化设置。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述系统包括：配置模块、核间通知模块和核间数据交换模块，所述核间通知模块和所述核间数据交换模块构成网络驱动层模块；其中，
所述配置模块，在主核操作系统上申请一块连续的内存用以统一配置各系统的收发数据包地址空间、各系统的通信控制区域地址空间、各系统的映射关系表、各系统通信的虚拟网卡MAC地址、各系统通信的虚拟网卡IP地址、各系统通信的虚拟网卡校验码；
所述核间通知模块，用以通知指定的处理器核发送完成或者接收完成，利用各操作系统处理器的多核核间中断来实现，如果所述处理器存在专用的核间通知机制，则使用所述专用的核间通知机制来实现核间通知；
所述核间数据交换模块，用以从内存中获取解析数据以及规范系统之间传输数据的格式，将数据分为标志位、长度、数据三个字段，采用虚拟网卡DMA数据传输方式，数据交换包在内存中采用环形列表方式排布，各操作系统之间均有相互读写数据的共享内存数据区，各个系统均可从相应的共享内存数据区内读写数据；
所述网络驱动层模块，用以将各操作系统之间的核间通信封装成所述虚拟网卡DMA数据传输通信，实现在各操作系统上建立虚拟网卡驱动。
2.根据权利要求1所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述配置模块的具体配置信息包括：核间通信模块的版本号、各操作系统与处理器核的绑定关系、各操作系统的数据收发的物理内存地址、各操作系统收发数据包的控制地址、各操作系统的MAC地址和各操作系统的IP地址。
3.根据权利要求2所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述配置模块的具体配置过程包括：
步骤一，映射物理配置地址，映射的一块连续的物理内存地址；
步骤二，根据预配置写入所述处理器核和系统映射表；
步骤三，根据最大系统支持数和实际预留物理内存分配各操作系统之间的通信内存；
步骤四，根据最大系统支持数和实际预留物理内存分配各操作系统之间的控制内存；
步骤五，将所述通信内存的物理地址及控制内存地址填入配置区域；
步骤六，根据所述操作系统的序号分配MAC地址和IP值，并填入所述配置区域；
步骤七，计算所述配置区域CRC填入所述配置区域末尾；
步骤八，所述配置过程结束。
4.根据权利要求1所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述核间通知模块的具体通知过程包括：
步骤一，当实时操作系统采集到数据时，通过网络应用编程将所述数据填充到网络应用层数据包中，通过该操作系统的网络协议栈发送所述数据包到底层网络驱动，所述底层网络驱动将所述数据包解析后，将所述数据包填充到对应的映射的共享内存数据区；
步骤二，将所述数据包填充到所述共享内存数据区后，设置配置区域中的控制区域的核间通信的标志位，触发核间中断或者核间通知，通知另一操作系统处理器核接收所述数据包；
步骤三，另一操作系统处理器核检测到所述核间中断，根据所述标志位接收所述数据包；
步骤四，所述通知过程结束。
5.根据权利要求1所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述核间数据交换模块实现核间数据交换的过程包括数据发送过程和数据接收过程。
6.根据权利要求5所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述数据发送过程具体包括：
步骤一，读取当前需要发送数据包的系统对应的发送偏移，其中所述发送偏移为所述发送的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤二，根据所述发送偏移获取包地址；
步骤三，等待所述数据包空闲；
步骤四，写入所述数据包的数据与数据包长度；
步骤五，设置所述数据包为满状态；
步骤六，发送核间通知；
步骤七，所述数据发送过程结束。
7.根据权利要求6所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述数据接收过程具体包括：
步骤一，需要读取数据包的系统获得所述发送数据包的系统发送的所述核间通知；
步骤二，获取对应的系统接收偏移，其中所述接收偏移为接收的数据包在其分配的共享内存通信区的相对位置；
步骤三，根据所述接收偏移获取包地址；
步骤四，等待所述数据包满；
步骤五，读取所述数据包数据；
步骤六，所述数据接收过程结束。
8.根据权利要求1所述的基于混合多系统核间实时通信的系统，其特征在于，所述网络驱动层模块包括共享内存发送模块、共享内存接收模块、共享内存控制模块、中断处理与通知模块和初始化接口，并将上述四个模块封装成所述虚拟网卡驱动。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，用以实现权利要求2-8任一项所述的系统。
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