CN111596962A - 一种基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法，所述微内核系统包括依次连接的程序功能模块、系统任务模块以及硬件，其中，程序功能模块用于接收用户的任务需求，系统任务模块用于控制硬件响应用户的任务需求，并且，系统任务模块中设置有高速协议通道，通过通用原语直接请求任务执行。本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法，通过构建形式化验证的HSPC微内核操作系统并完善高速协议通道的部署，配合终端处置模块，真正实现了工控领域对实时安全操作系统的业务需求。

Description

一种基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法

技术领域

本发明涉及内核系统性能优化技术领域，具体涉及一种基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法。

背景技术

适用于工业控制系统的操作系统要求可靠性高、实时性强、安全性强，支持分布式处理方式，与底层硬件平台紧密耦合，需要支持微型传感器、测控终端、工控服务器、图形工作站、集群控制系统、多层次大规模控制系统等多种业务，目前操作系统多属于宏内核操作系统，为了提高系统性能，许多系统功能模块和所有驱动程序等都位于内核之中，虽然可以裁剪，但内核非常臃肿，稍有异常就会引起系统崩溃。随着嵌入式测控终端微型化和物联网终端的快速发展，迫切需要高可靠性的实时微内核操作系统。由于UNIX早期主要用于分时系统，所以后面衍生出来操作系统的实时特性不佳，支持软实时尚可，支持硬实时较难。VxWorks/RTOS等嵌入式操作系统的实时性能相对较好，但生态环境较弱。随着工业控制智能化的快速发展，迫切需要支持硬实时和软实时的微内核操作系统。很多操作系统都号称支持POSIX国际标准，POSIX来源于开放式UNIX，开源的LINUX和Android以及不开源的IOS也都源于UNIX，WINDOWS和VxWorks的新版本也都支持POSIX标准。但这些操作系统还有不少各自特有功能，多年来形成了各自的生态环境。

随着工业化与信息化的快速融合，工业控制领域迫切需要从服务器到嵌入式设备的统一的操作系统接口标准规范。除了少数安全LINUX操作系统之外，多数操作系统的内核安全特性很弱，有的甚至设计上就没有考虑安全问题。随着全球网络安全威胁的日益严峻，工业控制领域迫切需要高安全强度的实时微内核操作系统。工业操作系统运行于工控硬件平台之上，根据硬件资源配置情况，可分为高、中、低三档，高档硬件平台具有MMU和大量内存(几十到数百GB，RAM)等系统硬件资源并支持虚拟化；中档硬件平台具有MMU或MPU，不太大的内存(几十到数百KB，RAM)，且不支持虚拟化；低档硬件平台不具备MMU/MPU，也不支持虚拟化，内存资源非常有限(几KB，RAM)。

seL4，8700行源代码，可执行程序12KB，效率与宏内核OS相当。seL4是高性能的L4微内核家族的新产物，它具有操作系统所必需的服务，如线程、IPC、虚拟内存、中断、调度器等。除了微内核，seL4另一大特色是完全的形式化验证。seL4的实现总是严格满足上一抽象层内核行为的规约，它在任何情况下都不会崩溃或执行不安全的操作，甚至可以精确的推断出seL4在所有情况下的行为。

虽然sel4在安全性以及性能上都让人刮目相看，但是目前来看微内核包括sel4在硬实时上仍然不能满足工控领域的需求，更差的是微内核整个生态建设研发环境相比linux体系相差甚远，导致在应用领域很难往前推进。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于高速协议通道的实时微内核系统，包括依次连接的程序功能模块、系统任务模块以及硬件，其中，程序功能模块用于接收用户的任务需求，系统任务模块用于控制硬件响应用户的任务需求，并且，系统任务模块中设置有高速协议通道，高速协议通道通过通用原语直接请求任务执行。

其中，所述程序功能模块包括系统调用模块和多个应用程序模块，其中，应用程序模块通过系统调用模块与系统任务模块连接，或直接与系统任务模块中的高速协议通道连接。

其中，所述系统任务模块与程序功能模块通过可移植操作系统接口规范连接，所述系统任务模块与硬件通过可扩展固件接口连接。

其中，所述系统任务模块包括文件系统模块、内存管理器、网络堆栈模块以及设备驱动模块，其中，文件系统模块通过高速协议通道完成线程调度，内存管理器通过高速协议通道完成内存地址空间分配，网络堆栈模块通过高速协议通道完成进程间通信，设备驱动模块通过高速协议通道完成硬件的终端处置。

其中，所述高速协议通道内还设置有安全可信模块，用于提高高速协议通道工作的安全性。

其中，所述高速协议通道直接请求任务执行的通用原语包括：用于实现同步调用通道的hspc_call()，用于实现同步等待通道的hspc_wait()，用于实现异步发送通道的hspc_send()，用于实现异步应答通道的hspc_reply()。

其中，所述实时微内核系统通过通用原语实现对高速协议通道的封装，并于内核态对通用原语进行解析。

其中，所述高速协议通道实现参数传递的方法包括：以arm架构为例约定高速协议通道头部指针由R10寄存器进行参数传递。

其中，系统任务模块通过高速协议通道执行用户任务的方法包括：通过Int 21软中断指令陷入内核，并由HSPC解析函数解析HSPC帧，进而获取任务执行号，通过直接的任务模块ipc或者通过HSPC间接ipc实现模块直接的相互调用及协调。

本发明另外提供了一种实时微内核系统的系统初始化方法，包括如下步骤：

步骤S1：硬件加电初始化；

步骤S2：验证高速协议通道并引导内核；

步骤S3：初始化内存；

步骤S4：初始化高速协议通道数据结构；

步骤S5：开启内核任务模块；

步骤S6：开启核外任务模块；

步骤S7：判断核外是否允许直接IPC，若是，则进行步骤S8，若不是，则关闭核外通信机制；

步骤S8：初始化核外任务模块消息列队；

步骤S9：内核主进程进入循环模式，初始化结束。

其中，所述步骤S1中，通过可扩展固件接口标准确定操作系统与平台固件之间的接口；

所述步骤S2中，通过加载内核和虚拟文件系统，由内核启动完成内核的引导；

所述步骤S3中，初始化内存后，读取内存配置文件，并为物理内存分配地址空间；

所述步骤S4中，初始化的高速协议通道数据结构包括：中断向量表、服务向量表、进程控制块PCB、用户控制块UCB、访问控制块SCB、执行控制块ECB、可信软件基TSB、地址空间块ASB以及事件传输块ETB；

所述步骤S5包括：设置执行环境、初始化页表、初始化中断向量表及系统时间。

本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统及其初始化方法，通过构建形式化验证的HSPC微内核操作系统并完善高速协议通道的部署，配合终端处置模块，真正实现了工控领域对实时安全操作系统的业务需求。

附图说明

图1：本发明的基于高速协议通道的实时微内核系统的系统架构图。

图2：本发明的基于高速协议通道的实时微内核系统的系统初始化流程图。

图3：本发明的基于实时微内核系统进行某相应任务的操作流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。

本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统，基于高速协议通道HSPC(High speed protocol channel)，以快速响应用户任务(task)为核心，由事件驱动各个相关的程序模块，实现整个系统的高效运行。HSPC微内核本身相当于事件和业务处理的通信机制。HSPC微内核引入两个关键机制：一是面向任务，将所有程序功能(包括内核程序、系统程序和用户程序)归结为任务(Task)，通过任务执行原语进行业务请求并获得业务执行结果；二是高速协议通道，将所有设备中断、系统异常、信号和信号灯、错误报告、业务请求、业务结果推送等都归结为事件(Event)，对事件和任务统一编码，通过高速协议通道进行事件的传输和交互。两种机制共同构建以事件驱动的、面向任务的、实时可靠的HSPC微内核操作系统。

图1为本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统的系统架构图，如图1所示，本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统，包括依次连接的程序功能模块10、系统任务模块20以及硬件30，程序功能模块10用于接收用户的任务需求，系统任务模块20用于控制硬件响应用户的任务需求；程序功能模块10包括系统调用模块11和多个应用程序模块12，应用程序模块12可以通过系统调用模块11与系统任务模块20连接，也可以直接与系统任务模块20中的高速协议通道21连接。

系统任务模块20是本发明的实时微内核系统中具有最高权限的最基本的任务模块，基于高速协议通道请求任务执行，高速协议通道确定事件驱动任务执行的相关协议，协议头部信息通过指定寄存器传递。系统任务模块20和程序功能模块10均需以任务模块(task)为单位重新组织，各模块使用通用原语(下文详述)通过HSPC进行交互，其功能至少包括：内存空间分配、进程线程调度、安全可信认证等。

具体的，所述系统任务模块20包括文件系统模块22、内存管理器23、网络堆栈模块24以及设备驱动模块25，其中，文件系统模块22通过高速协议通道21完成线程调度，内存管理器23通过高速协议通道21完成内存地址空间分配，网络堆栈模块24通过高速协议通道21完成进程间通信，设备驱动模块25通过高速协议通道21完成硬件的终端处置。

本发明提供的基于高速协议通道的实时微内核系统具有三个标准界面：一是操作系统与抽象硬件之间的统一可扩展固件接口UEFI(Unified Extensible FirmwareInterface)标准界面。二是操作系统与用户应用程序之间的POSIX(Portable OperatingSystem Interface，可移植操作系统接口规范)接口标准。三是高速协议通道，通过四个通用原语直接请求任务执行，如表1。

表1通用服务原语简表

原语编码	原语简式	原语说明	原语参数
				0	hspc_call()	同步调用通道	协议帧头，服务，目的，长度，文件名
1	hspc_wait()	同步等待通道	协议帧头，目的，长度，缓冲区
				2	hspc_send()	异步发送通道	协议帧头，服务，目的，长度，缓冲区
3	hspc_reply()	异步应答通道	协议帧头，确认序列，长度，缓冲区

本发明的基于高速协议通道的实时微内核系统，基于高速协议通道实现任务响应及参数传递的工作方法及原理如下：

1、原语调用

如上，高速协议通道通过对四个原语调用方式以及参数填充的约定，使用户态程序可以直接调用原语，获取内核、系统任务执行。

2、高速协议通道的封装

本发明于通用原语内部实现对高速协议通道的封装，并在内核态进行解析。

3、参数传递

高速协议通道以arm架构为例约定高速协议通道的头部指针由R10寄存器进行传递。

4、内陷获取内核、系统任务执行

高速协议通道通过Int 21软中断指令陷入内核，并由HSPC解析函数解析HSPC帧，进而获取任务执行号，通过直接的任务模块ipc(限制级的)或者通过HSPC间接ipc实现模块直接的相互调用、协调，共同高效、安全完成任务的执行，并返回。

图2为本发明的基于高速协议通道的实时微内核系统的系统初始化流程图，如图2所示，本发明的基于高速协议通道的实时微内核系统，其初始化过程包括：

1、硬件加电初始化(UEFI)

对底层硬件平台的支持应遵循业界标准UEFI接口，用来定义操作系统与平台固件之间的接口。

2、引导内核(boot)

Grub加载内核和虚拟文件系统，启动过程交由内核继续完成。

3、内存初始化，读取内核配置文件，分配地址空间

微内核采用静态内存空间配置，将物理内存分为逻辑上隔离的四个空间：内核内存空间、共享内存空间、系统内存空间、用户内存空间。

4、HSPC数据结构初始化，装入中断服务向量表等相关表项

内核数据结构包括：中断向量表和服务向量表、进程控制块PCB、用户控制块UCB、访问控制块SCB、执行控制块ECB、可信软件基TSB、地址空间块ASB、事件传输块ETB等。

本发明构建中断向量表时，将中断异常事件和系统业务事件统一进行分组线性编码，占用13比特编码空间，总共有8192个编码号位，从低到高依次分为三个编码区间：最低端256个为中断异常事件区间，随后256个为系统业务事件区间，最后余下7680个为用户定义服务事件区间。

本发明构建服务向量表时，系统业务事件区间预留256个编码号位，按功能分为11组：系统、进程、线程、文件、目录、用户、用户组、内存、时间、网络、设备等，便于扩充。各组内的服务顺序编码，便于各自独立维护。

5、开启内核(PID＝0)任务模块：设置执行环境，初始化页表，初始化中断向量表，初始化系统时间等。

6、开启核外任务模块

由kernel_thread()创建核外任务模块进程，继续完成剩下的初始化工作。

7、判断是否允许直接IPC

判断是否开启核外任务模块直接IPC，允许，则执行第8步，不允许，则关闭核外IPC机制，核外进程必须通过HSPC内陷通信。

8、初始化核外任务模块消息队列。

9、内核主进程进入循环模式

内核进程初始化完成HSPC高速协议通道，进入循环模式，等待业务请求。

图3为本发明的基于实时微内核系统响应读写操作任务的流程图，如图3所示，本发明验证文件的读写操作任务时，详细的流程步骤如下：

1、执行test程序

用户执行任务fileopen测试程序test。

2、初始化参数和数据

清零HSPC帧结构描述，清零网络地址描述，清零发送缓冲区，清零接收缓冲区，清零文件名称。

3、处理命令行参数

获取业务编码svc、文件全路径名称以及其他数据结构，包括协议帧类型，调用的原语，以及设置网络层级标识。

4、处理命令行参数

通过用户输入获取任务编码、文件路径名以及其他相关数据。

5、调用原语hspc_call()

通过参数类型转换，调用基本原语hspc_call()

6、HSPC数据封装

设置网络层标识，帧类型，封装HSPC数据，设置传参寄存器，并执行软中断、内陷。

7、软中断获取HSPC解析函数

通过重新构建的中断向量表，由0x81获取HSPC解析函数地址。

8、执行HSPC解析函数

参数类型转换、封装并执行解析函数hspc_handle()。

9、解析HSPC帧

解析HSPC，通过业务编码svc由系统业务表获取系统业务函数fileopen地址。

10、执行系统业务

执行fileopen()，并返回用户态。

本发明的有益效果如下：

1、从内核态用户态整体角度出发，利用微内核技术，提出在其基础上构建高速协议通道HSPC的方案，同时，重新构建高速协议通道的中断向量表、服务向量表及相应的解析逻辑，并规范其协议、调用原语及内核陷入操作，真正实现了工控领域对实时安全操作系统的业务需求。

2、通过在内核内添加终端处置模块，实现了对用户任务的快速响应和处理。

3、通过在高速协议通道内添加安全可信模块，提高了系统的安全性。

本发明中，所谓的“POSIX”，是指可移植操作系统接口规范，其全称为PortableOperating System Interface。

本发明中，所谓的“UEFI”，是指通用可扩展固件接口，其全称为UnifiedExtensible Firmware Interface。

本发明中，所谓的“HSPC”，是指高速协议通道，其全称为High speed protocolchannel。

本发明中，所谓的“IPC”，是指进程间通信，其全称为Inter-ProcessCommunication。

虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：包括依次连接的程序功能模块、系统任务模块以及硬件，其中，程序功能模块用于接收用户的任务需求，系统任务模块用于控制硬件响应用户的任务需求，并且，系统任务模块中设置有高速协议通道，高速协议通道通过通用原语直接请求任务执行。

2.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述程序功能模块包括系统调用模块和多个应用程序模块，其中，应用程序模块通过系统调用模块与系统任务模块连接，或直接与系统任务模块中的高速协议通道连接。

3.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述系统任务模块与程序功能模块通过可移植操作系统接口规范连接，所述系统任务模块与硬件通过可扩展固件接口连接。

4.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述系统任务模块包括文件系统模块、内存管理器、网络堆栈模块以及设备驱动模块，其中，文件系统模块通过高速协议通道完成线程调度，内存管理器通过高速协议通道完成内存地址空间分配，网络堆栈模块通过高速协议通道完成进程间通信，设备驱动模块通过高速协议通道完成硬件的终端处置。

5.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述高速协议通道内还设置有安全可信模块，用于提高高速协议通道工作的安全性。

6.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述高速协议通道直接请求任务执行的通用原语包括：用于实现同步调用通道的hspc_call()，用于实现同步等待通道的hspc_wait()，用于实现异步发送通道的hspc_send()，用于实现异步应答通道的hspc_reply()。

7.如权利要求6所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述实时微内核系统通过通用原语实现对高速协议通道的封装，并于内核态对通用原语进行解析。

8.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：所述高速协议通道实现参数传递的方法包括：以arm架构为例约定高速协议通道头部指针由R10寄存器进行参数传递。

9.如权利要求1所述的基于高速协议通道的实时微内核系统，其特征在于：系统任务模块通过高速协议通道执行用户任务的方法包括：通过Int 21 软中断指令陷入内核，并由HSPC解析函数解析HSPC帧，进而获取任务执行号，通过直接的任务模块ipc或者通过HSPC间接ipc实现模块直接的相互调用及协调。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的实时微内核系统的系统初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：硬件加电初始化；

步骤S2：验证高速协议通道并引导内核；

步骤S3：初始化内存；

步骤S4：初始化高速协议通道数据结构；

步骤S5：开启内核任务模块；

步骤S6：开启核外任务模块；

步骤S7：判断核外是否允许直接IPC，若是，则进行步骤S8，若不是，则关闭核外通信机制；

步骤S8：初始化核外任务模块消息列队；

步骤S9：内核主进程进入循环模式，初始化结束。

11.如权利要求10所述的系统初始化方法，其特征在于：

所述步骤S1中，通过可扩展固件接口标准确定操作系统与平台固件之间的接口；

所述步骤S2中，通过加载内核和虚拟文件系统，由内核启动完成内核的引导；

所述步骤S3中，初始化内存后，读取内存配置文件，并为物理内存分配地址空间；

所述步骤S4中，初始化的高速协议通道数据结构包括：中断向量表、服务向量表、进程控制块、用户控制块、访问控制块、执行控制块、可信软件基、地址空间块以及事件传输块；

所述步骤S5包括：设置执行环境、初始化页表、初始化中断向量表及系统时间。

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