CN110471647B - 基于微内核架构的嵌入式分区操作系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微内核架构的嵌入式分区操作系统及其设计方法，该设计方法包括：第一步骤：系统整体设计，规划整个操作系统的架构，对微内核应具备的功能提出要求，对微内核与分区之间的应用程序接口做出规定，明确分区所承担的功能；第二步骤：微内核架构设计，对微内核的结构做出详细说明，细分出各个模块并标定功能；第三步骤：分区设计，设定分区的详细结构。本发明利用微内核提升嵌入式分区操作系统的实时性，通过最简化内核功能，保留基本资源，以最低的开销，保证实时调度策略和系统调用的确定性，从而实现分区间的高效通信和快速上下文切换。

Description

基于微内核架构的嵌入式分区操作系统及其设计方法

技术领域

本申请涉及操作系统设计领域，特别涉及基于微内核架构的嵌入式分区操作系统及其设计方法。

背景技术

伴随着制造技术的进步，嵌入式处理器的性能不断提高，这个趋势为嵌入式网络、航空电子设备、汽车嵌入式软件和普适计算等诸多领域的应用带来突破性的可能。由于新的处理器具有不同的运行模式，具备的硬件MMU机制能够在硬件层面实现系统自身安全性，在这种条件下，嵌入式分区系统应运而生；软件分区现在通常用于安全系统，以允许不同的软件设计保证级别可以集成在一起，并获得更高的执行灵活性；在航空电子设备、汽车嵌入式软件等安全相关领域，每个应用程序的执行时间和存储空间都必须得到隔离保护以防其他应用程序的影响；面对这种情况，采用空间隔离、时间预先分配的分时分区操作系统已经成为未来的发展方向。

分区系统的先行者是集成模块化航空电子设备(IMA)系统，该系统提出ARINC 653标准，使用这个标准来定义IMA中应用软件的基线操作环境，该标准为航空应用定义的目标是在给定的实时操作系统(RTOS)和相应的应用程序之间提供标准接口。提出之后，该标准在航空航天领域越来越受到重视，在此基础上产生了AIR架构，AIR架构旨在为空间机载软件的开发人员和集成商提供标准且严格符合ARINC 653标准的环境，AIR解决方案独立于硬件和操作系统，它利用现有的开源RTOS内核；为支持现有实时操作系统内核的异构性，有人将通用操作系统GNU/Linux集成到AIR架构。

虚拟机技术是构建分区系统的安全有效的方法。有人设计出一个满足安全关键要求的虚拟机管理程序-XtratuM，该程序完全符合ARINC 653标准，被用于构建空间机载软件和未来通用车载软件；之后，又有人提出基于该虚拟机管理程序的分区解决方案，最终通过构建一个基于有限状态机的模型验证系统的时间和空间属性；有个缺陷就是，XtratuM不支持多处理器架构。殊途同归的情况是，还有人使用开源的虚拟机管理程序-Xen和Linux的开发了ARINC 653标准的初始分区操作系统原型。

实现分区系统常用的方法是虚拟机管理程序，这样的系统对于安全关键的任务表现不俗，但是在实时性方面有所欠缺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种高实时性的嵌入式分区操作系统。

为了解决上述问题，本发明提供了基于微内核架构的嵌入式分区操作系统设计方法，包括如下步骤：第一步骤：系统整体设计，规划整个操作系统的架构，对微内核应具备的功能提出要求，对微内核与分区之间的应用程序接口做出规定，明确分区所承担的功能；第二步骤：微内核架构设计，对微内核的结构做出详细说明，细分出各个模块并标定功能；第三步骤：分区设计，设定分区的详细结构。

较佳地，所述第一步骤中，所述整个操作系统的架构自底向上包括：硬件层、微内核层和分区。

较佳地，所述第二步骤中，所述微内核的结构分为三个部分，包括：高级内核层，用于提供通用功能；ARCH层，用于提供指令集一级的支持；板级支持包层，用于提供板级设备一级的支持。

较佳地，所述高级内核层包括：初始化模块，用于提供微内核的入口函数、创建页表建立新的内存映射和复制系统镜像到配置地址处；进程模块，用于提供内存隔离和页表管理的功能；线程模块，用于提供执行上下文，并在原本线程概念的基础上增加了处理中断的能力；调度器模块，用于管理线程模块到多个物理CPU的映射与分配以及实时任务与非实时任务的混合调度；线程通信模块，用于提供最简单的消息路由功能；中断管理模块，用于提供中断的申请和分发；系统调用模块，用于提供用户空间与内核空间的接口。

较佳地，所述第三步骤中，所述分区包括主分区和次分区，所述主分区运行实时任务，所述次分区运行非实时任务。

较佳地，所述主分区的优先级始终高于所述次分区的优先级。

较佳地，针对不同分区的任务采用混合调度算法：对于主分区的实时任务采用单调速率调度算法，保证实时任务的按时完成；对于次分区的非实时任务同时考虑任务的周期时间和执行时间，确保非实时任务调度的公平性和一定的吞吐量。

本发明还提供了基于微内核架构的嵌入式分区操作系统，所述操作系统按照上述任一所述的设计方法进行设计。

较佳地，在部署所述操作系统时，将整个操作系统的源代码分为三个工程：Base工程、BSP工程和APP工程，三个工程依次构建后产生系统镜像，将系统镜像烧录在嵌入式平台上即可成功启动。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

1、本发明实施例利用微内核提升嵌入式分区操作系统的实时性，通过最简化内核功能，保留基本资源，以最低的开销，保证实时调度策略和系统调用的确定性，从而实现分区间的高效通信和快速上下文切换。

2、本发明实施例采用微内核对硬件底层进行控制，将嵌入式系统上的各类硬件以最小的代价抽象为传统计算机软件可以使用的资源，为上层的应用程序提供基本的服务，既解决通用操作系统实时性的不足，又解决实时操作系统应用不够丰富的劣势。

3、本发明实施例将微内核分为用于提供通用功能的高级内核层、用于提供指令集一级的支持的ARCH层和用于提供板级设备一级的支持板级支持包层，以实现微内核的可移植性。

4、本发明实施例实现软件和硬件的松散耦合，发布一个新的硬件平台时，上层操作系统只需要做极少的更改就可以移植到一个新的平台。

5、本发明实施例在微内核之上，分别建立主分区和次分区：主分区对现有的实时操作系统进行移植使之适应于微内核架构，以此来保证分区系统的实时性；次分区运行非实时任务，同时处理一些非确定事件，保证对随机事件的响应能力。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明实施例基于微内核架构的嵌入式分区操作系统设计方法流程图；

图2为本发明实施例基于微内核架构的高实时性嵌入式分区操作系统的整体架构设计示意图；

图3为本发明实施例的微内核架构设计示意图；

图4为本发明实施例的分区设计示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的基于微内核架构的嵌入式分区操作系统及其设计方法进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

本发明实施例提出的基于微内核架构的嵌入式分区操作系统设计方法主要用于实现嵌入式系统的多级分区和高实时性，一方面，多级分区对数据和资源进行分区隔离实现多级安全；另一方面，高实时的特性确保操作系统在调度实时任务时具有确定性并能够在指定时间内完成，为工业上涉及到自动控制的领域提供软件层面的安全与实时保障。

如图1所示，本发明实施例提供的基于微内核架构的嵌入式分区操作系统设计方法，包括以下几个步骤：

第一步骤S1：系统整体设计，规划整个操作系统的架构，对微内核应具备的功能提出要求，对微内核与分区之间的应用程序接口做出规定，明确分区所承担的功能；所述整个操作系统的架构自底向上包括：硬件层、微内核层和分区，且明确定义硬件层到微内核层的接口、微内核层到分区的接口和分区之间的通信接口。

由于微内核本身提供的功能极其有限，仅包括进程管理，线程管理，进程间通信，因此，微内核需要其它组件的配合才能构成一个完整可用的系统。为实现高实时性，本发明实施例选择开源的嵌入式实时操作系统作为实时模块，通过在源代码级别的修改使其适应于微内核架构。如图2所示，微内核只对硬件层做尽可能简单的抽象，之上就是分区，文件系统和设备驱动等在传统操作系统中属于内核的部分被放入分区内部，同时，分区内还运行各类应用程序。

第二步骤S2：微内核架构设计，对微内核的结构做出详细说明，细分出各个模块并标定功能；

本实施例中，考虑到微内核的可移植性，以便其能在更多的处理器架构上扩展，如图3所示，微内核的结构分为三个部分，包括：高级内核(High level kernel)层，用于提供通用功能；ARCH层，用于提供指令集一级的支持；板级支持包(Board Support Package，BSP)层，用于提供板级设备一级的支持。

进一步地，将高级内核层提供的通用功能划分为以下7个模块：

(1)初始化模块(init)，一方面，用于提供微内核的入口函数；另一方面，在刚启动内核时，内存还处于直接映射状态，用于创建页表建立新的内存映射，并复制系统镜像到配置地址处；

(2)进程模块(Partition)，用于提供内存隔离和页表管理的功能，主要负责页表的建立、页表项的修改、不同页表之间的局部复制、页表切换及物理地址和虚拟地址之间的转换，其中，在微内核之上的分区隔离依赖于进程模块的保障；

(3)线程模块(vCPU)，用于提供执行上下文，并在原本线程概念的基础上增加了处理中断的能力，是微内核的调度单元；

(4)调度器模块(SCHED)，用于管理线程模块到多个物理CPU的映射与分配，以及实时任务与非实时任务的混合调度；

(5)线程通信模块(IPC)，用于提供最简单的消息路由功能，发送方指定接收方线程ID，微内核直接切换到接收方线程处理请求并返回；

(6)中断管理模块(IRQ)，用于提供中断的申请和分发，所有中断首先进入微内核的中断向量表，中断管理模块根据预先注册的中断号，执行其对应线程模块的中断服务函数；

(7)系统调用模块(Syscall)，用于提供用户空间与内核空间的接口。

请继续参考图3，_start函数是微内核的启动入口，微内核从初始化模块开始启动，启动后通过板级支持包层和ARCH初始化硬件平台，建立内核进程和Sylix进程，装载优先级最高的vCPU到真实的处理器运行，最后等待系统调用和中断。

第三步骤S3：分区设计，设定分区的详细结构。

本实施例中，在微内核之上是相互隔离的分区，分区使用微内核提供的各种服务。分区的具体架构如图4所示，主分区运行实时操作系统，以此来保证分区系统的实时性；次分区运行非实时任务，并且处理一些随机事件如I/O等，保证对不确定事件的响应能力。

其中，无论分区的任务是否是实时任务，其均包括周期性的和非周期性的，因此，如何安排不同类型的任务是一个问题。为此，本实施例提出一种混合调度的算法，考虑了分区任务的所有可能属性。具体地，该调度算法确保实时任务的优先级永远高于非实时任务，并且，在实时任务中采用目前最有效的单速率调度实时算法，保证实时任务的按时完成；在非实时任务中同时考虑到任务的周期时间和执行时间，确保非实时任务调度的公平性和一定的吞吐量。

在进行操作系统部署时，与微内核架构相对应，同时考虑到它的可移植性，将整个操作系统的源代码分为三个工程：Base工程、BSP工程和APP工程。Base工程包含分区无关代码以及体系结构相关代码；BSP工程包括启动代码，大部分设备驱动都不必实现，仅需要实现定时器驱动(提供tick中断)、中断控制器驱动(实现中断管理)和串口驱动(实现调试打印)；APP工程代表各类应用程序，包括实时任务和非实时任务。三个工程依次构建后产生系统镜像，将镜像烧录在嵌入式平台上即可成功启动。

部署完成后的系统通过利用微内核的解决方案提升嵌入式分区操作系统的实时性，通过最简化内核功能，保留基本资源，以最低的开销，保证实时调度策略和系统调用的确定性，从而实现分区间的高效通信和快速上下文切换；并在微内核之上运行实时分区和非实时分区，满足不同任务要求，且可支持多核体系结构，并保持传统嵌入式分区操作系统的安全性。

为了充分验证上述系统的实时性能，在系统的主分区运行Linux的实时性测试工具rt-tests，同时，作为对比，把Linux烧录到相同平台上运行相同的测试工具。考虑到操作系统运行的真实环境，将测试条件分为无负载和有负载两种情况，测试结果如表1和表2所示，结果表明：无论是否有负载，本实施例的系统的系统最大延时明显小于Linux，并且本实施例的系统的最小延时和平均延时也都小于Linux。

表1

表2

进一步地，在多核平台上进行上述测试，考虑到普遍性，在单核硬件平台上再次进行对比测试，并添加一个新的测试者-RTLinux，以便更好的验证本发明的实时性。测试结果如表3和表4所示，结果表明，无论是否有负载，本实施例的系统的最大延时、最小延时和平均延时在三个系统中都是最小。

表3

表4

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.基于微内核架构的嵌入式分区操作系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步骤：系统整体设计，规划整个操作系统的架构，对微内核应具备的功能提出要求，对微内核与分区之间的应用程序接口做出规定，明确分区所承担的功能；所述整个操作系统的架构自底向上包括：硬件层、微内核层和分区，微内核只对硬件层做抽象，文件系统和设备驱动被放入分区内部，同时，分区内还运行各类应用程序；

第二步骤：微内核架构设计，对微内核的结构做出详细说明，细分出各个模块并标定功能；

第三步骤：分区设计，设定分区的详细结构；

所述分区包括主分区和次分区，所述主分区运行实时任务，所述次分区运行非实时任务；

所述主分区的优先级始终高于所述次分区的优先级；

针对不同分区的任务采用混合调度算法：对于主分区的实时任务采用单调速率调度算法，保证实时任务的按时完成；对于次分区的非实时任务同时考虑任务的周期时间和执行时间，确保非实时任务调度的公平性和一定的吞吐量。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第二步骤中，所述微内核的结构分为三个部分，包括：

高级内核层，用于提供通用功能；

ARCH层，用于提供指令集一级的支持；

板级支持包层，用于提供板级设备一级的支持。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述高级内核层包括：

初始化模块，用于提供微内核的入口函数、创建页表建立新的内存映射和复制系统镜像到配置地址处；

进程模块，用于提供内存隔离和页表管理的功能；

线程模块，用于提供执行上下文，并在原本线程概念的基础上增加了处理中断的能力；

调度器模块，用于管理线程模块到多个物理CPU的映射与分配以及实时任务与非实时任务的混合调度；

线程通信模块，用于提供最简单的消息路由功能；

中断管理模块，用于提供中断的申请和分发；

系统调用模块，用于提供用户空间与内核空间的接口。

4.基于微内核架构的嵌入式分区操作系统，其特征在于，所述操作系统按照权利要求1-3任一所述的设计方法进行设计。

5.根据权利要求4所述的操作系统，其特征在于，在部署所述操作系统时，将整个操作系统的源代码分为三个工程：Base工程、BSP工程和APP工程，三个工程依次构建后产生系统镜像，将系统镜像烧录在嵌入式平台上即可成功启动。