CN111611016B - 一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法 - Google Patents

一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法，包括如下步骤：(1)将MicroPython以域服务模块形式加载并运行；(2)配置MicroPython运行时所需的多线程机制和线程调度；(3)配置MicroPython运行时所需的文件系统；(4)配置MicroPython运行时所需的IO设备管理；(5)配置MicroPython运行时所需的网络协议栈；(6)配置MicroPython运行时所需的RTC；(9)配置MicroPython运行时所需的标准输入、输出。本发明通过将MicroPython以域服务模块形式加载并运行，并在时空隔离域中配置了MicroPython运行所需的各类资源，从而解决了如何将MicroPython运行于时空隔离域中的问题。

Description

一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其是一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法。
背景技术
MicroPython是Python3编程语言的一种精简而高效的实现，它包含Python标准库的一个子集，运行于裸金属系统或嵌入式系统中。通过MicroPython实现硬件底层的访问和控制，不需要了解底层寄存器、数据手册、厂家的库函数等，即可轻松控制硬件。外设与常用功能都有相应的模块，降低开发难度，使开发和移植变得容易和快速。
目前支持MicroPython的嵌入式系统都是将MicroPython作为一个服务组件与其他服务、应用运行在同一个系统空间。MicroPython可作为主要应用或作为次要应用与实时应用一同运行。
但随着应用复杂度逐渐升高，应用任务越来越多，且绝大部分实时应用能优先抢占CPU，将无法保障MicroPython的执行时间。因此为了保障MicroPython的执行时间，应将MicroPython运行于时空隔离域中。而MicroPython并不是基于时空隔离域开发的，因此现有的MicroPython无法直接运行于时空隔离域中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对如何将MicroPython运行于时空隔离域中的问题，提供一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法，包括如下步骤：
(1)将MicroPython以域服务模块形式加载并运行；
(2)配置MicroPython运行时所需的多线程机制和线程调度；
(3)配置MicroPython运行时所需的文件系统；
(4)配置MicroPython运行时所需的IO设备管理；
(5)配置MicroPython运行时所需的网络协议栈；
(6)配置MicroPython运行时所需的RTC；
(7)配置MicroPython运行时所需的标准输入、输出。
具体地，所述MicroPython以域服务模块形式，通过以下两种方式加载并运行：
(1.1)静态加载：MicroPython作为静态库链接到时空隔离域的域镜像中，当内核加载时空隔离域时将MicroPython与其他域服务模块一同运行；
(1.2)动态加载：MicroPython作为动态库，也即一个独立的模块镜像，在时空隔离域启动后，再动态加载到内存中运行。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的多线程机制和线程调度的方法包括步骤(2.1)～(2.5)：
(2.1)将MicroPython的多线程功能为以下4类：线程管理、线程调度、线程锁管理和线程中断；
(2.2)线程管理由时空隔离域的任务管理抽象实现；
(2.3)线程调度由时空隔离域的任务调度抽象实现；
(2.4)线程锁管理由时空隔离域的互斥锁抽象实现；
(2.5)线程中断由时空隔离域的软中断抽象实现。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的文件系统的方法为：MicroPython支持的文件访问包括4类标准接口：open、read、write、close；当MicroPython调用文件访问的标准接口时，将直接访问时空隔离域提供的对应接口。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的IO设备管理的方法为：时空隔离域内需要初始化IO设备，将IO设备注册管理，并提供IO设备的访问接口：open、read、write、ioctl、close；当MicroPython访问IO设备时，将调用时空隔离域的多个IO设备访问接口，执行对应的IO操作。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的网络协议栈的方法为：时空隔离域内需要初始化网络协议栈，当MicroPython调用BSD socket接口时，将调用时空隔离域的网络协议栈对应接口，执行对应的操作。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的RTC的方法为：时空隔离域需要从内核获取当前的RTC，并独立的管理RTC偏移；当MicroPython访问RTC时，将调用时空隔离域对应的RTC接口，同时加上RTC偏移完成访问。
具体地，所述配置MicroPython运行时所需的标准输入、输出的方法为：
a)MicroPython使用stdin时，将从时空隔离域的stdin输入数据；
b)MicroPython使用stdout时，将信息输出到时空隔离域的stdout；
c)MicroPython使用stderr时，错误信息将输出到时空隔离域的stderr。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过将MicroPython以域服务模块形式加载并运行，并在时空隔离域中配置了MicroPython运行所需的各类资源，从而解决了如何将MicroPython运行于时空隔离域中的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明的基于时空隔离域加载MicroPython的方法的流程框图。
图2为本发明的MicroPython在时空隔离域中的加载方式示意图。
图3为本发明的MicroPython在时空隔离域中静态加载的示意图。
图4为本发明的MicroPython在时空隔离域中动态加载的示意图。
图5为本发明的实现MicroPython的多线程机制的示意图。
图6为本发明的实现MicroPython的文件系统的示意图。
图7为本发明的实现MicroPython的IO设备管理的示意图。
图8为本发明的实现MicroPython的网络协议栈的示意图。
图9为本发明的实现MicroPython的RTC的示意图。
图10为本发明的实现MicroPython的标准输入、输出的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例的一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法，包括如下步骤：
(1)将MicroPython以域服务模块形式加载并运行；
如图2所示，在时空隔离域内，为了隔离保护系统内核，APP是无法直接访问内核的，为了支撑APP的运行，需要提供各类服务，MicroPython将以域服务模块形式与其他域服务模块一同加载并运行。
具体地，所述MicroPython以域服务模块形式，通过以下两种方式加载并运行：
(1.1)静态加载：MicroPython作为静态库链接到时空隔离域的域镜像中，当内核加载时空隔离域时将MicroPython与其他域服务模块一同运行；
当所述MicroPython以静态加载方式加载时，将MicroPython编译为一个静态库，在时空隔离域的初始化过程中直接调用MicroPython的初始化函数。在编译时空隔离域时，直接链接MicroPython静态库，形成一个完整的时空隔离域镜像，如图3所示。
在内核加载时空隔离域时，将时空隔离域镜像搬移到运行空间，当时空隔离域运行初始化时，通过链接的函数直接运行MicroPython的初始化函数，完成MicroPython的初始化，并将MicroPython与其他域服务模块一同运行。
在时空隔离域完成初始化后，MicroPython的APP以字节码方式被加载到时空隔离域中，加载APP后，时空隔离域将调用MicroPython的执行器，执行APP。
(1.2)动态加载：MicroPython作为动态库，也即一个独立的模块镜像，在时空隔离域启动后，再动态加载到内存中运行。
当所述MicroPython以动态加载方式加载时，将MicroPython编译为一个动态库，也即一个独立的二进制。时空隔离域的初始化过程并不调用MicroPython的初始化函数。在编译时空隔离域时，也不链接MicroPython，而是链接MicroPython的桩库，如图4所示。
当时空隔离域加载MicroPython的APP后，时空隔离域调用MicroPython的初始化桩函数。MicroPython的初始化桩函数内动态地将MicroPython动态库加载到运行空间，并调用真正的MicroPython初始化函数。随后时空隔离域继续调用MicroPython的执行器，执行APP。
(2)配置MicroPython运行时所需的多线程机制和线程调度；
MicroPython是支持多线程的，要在时空隔离域中支持MicroPython的多线程，需要提供多线程机制，即对应时空隔离域的多任务机制。如图5所示，本实施例通过时空隔离域的多任务机制来抽象实现MicroPython的多线程机制，具体包括步骤(2.1)～(2.5)：
(2.1)将MicroPython的多线程功能进行归类；
MicroPython的多线程功能包括：
a)Errno；
b)创建线程(启动线程时使用)；
c)中断主线程；
d)删除线程(线程退出时使用)；
e)分配线程锁；
f)线程切换(线程退出时使用)；
g)获取线程标识符；
h)获取、设置线程栈大小；
i)设置获取线程锁的超时时间；
j)线程锁；
将MicroPython的多线程功能归类为以下4类：
线程管理，包括Errno，创建线程(启动线程时使用)，删除线程(线程退出时使用)，获取线程标识符，获取、设置线程栈大小功能；
线程调度，包括创建线程(启动线程时使用)和线程切换(线程退出时使用)功能。
线程锁管理，包括分配线程锁、设置获取线程锁的超时时间和线程锁功能；
线程中断，包括中断主线程功能。
(2.2)线程管理由时空隔离域的任务管理抽象实现，实现了Errno，创建线程(启动线程时使用)，删除线程(线程退出时使用)，获取线程标识符，获取、设置线程栈大小功能。
(2.3)线程调度由时空隔离域的任务调度抽象实现，实现了创建线程(启动线程时使用)和线程切换(线程退出时使用)功能。
线程管理和线程调度的实现具体如下：
a)由任务管理的Errno直接实现为MicroPython线程的Errno；
b)MicroPython启动线程时，将调用任务管理的创建线程接口创建一个任务作为MicroPython线程的执行体；然后利用任务调度，启动任务的运行；
c)MicroPython线程退出时，将任务管理的删除任务接口来删除任务资源，然后利用任务调度(非接口调用)，切换到其他MicroPython线程对应的任务；
d)MicroPython获取线程标识符和获取、设置线程栈大小，则直接调用任务管理中获取任务标识和获取、设置任务栈大小的接口。
(2.4)线程锁管理由时空隔离域的互斥锁抽象实现，实现了分配线程锁、设置获取线程锁的超时时间和线程锁功能；具体地：
a)MicroPytho分配线程锁时，调用创建互斥锁的接口，创建互斥锁；
b)MicroPython设置获取线程锁的超时时间时，将时空隔离域记录超时时间，待调用MicroPython调用获取线程锁时，按记录的超时时间等待；
c)MicroPython调用线程锁操作时，将调用时空隔离域的互斥锁对应的操作。
(2.5)线程中断由时空隔离域的软中断抽象实现，实现了中断主线程功能；具体地：
MicroPython线程执行中断主线程时，将调用时空隔离域的发送软中断接口，触发一个软中断，然后由MicroPython主线程对应的任务执行软中断处理函数。
(3)配置MicroPython运行时所需的文件系统；
如图6所示，MicroPython支持文件访问，由时空隔离域提供文件系统服务用于支撑MicroPython的文件访问；
即：MicroPython支持的文件访问包括4类标准接口：open、read、write、close；当MicroPython调用文件访问的标准接口时，将直接访问时空隔离域提供的对应接口。
(4)配置MicroPython运行时所需的IO设备管理；
如图7所示，MicroPython支持访问IO设备，如UART、CAN、I2C、GPIO、SPI等，时空隔离域将提供IO设备管理，用于管理所有IO设备。
即：时空隔离域内需要初始化IO设备，将IO设备注册管理，并提供IO设备的访问接口：open、read、write、ioctl、close；当MicroPython访问IO设备时，将调用时空隔离域的多个IO设备访问接口，执行对应的IO操作。
(5)配置MicroPython运行时所需的网络协议栈；
如图8所示，MicroPython支持BSD socket接口，如socket、bind、listen、send、recv、close等，时空隔离域将提供网络协议栈，用于支撑BSD socket接口。
即：时空隔离域内需要初始化网络协议栈，当MicroPython调用BSD socket接口时，将调用时空隔离域的网络协议栈对应接口，执行对应的操作。
(6)配置MicroPython运行时所需的RTC；
如图9所示，MicroPython支持访问RTC时间，如asctime、gmtime、localtime、mktime、time等，时空隔离域将提供RTC，用于支撑MicroPython访问RTC。
即：时空隔离域需要从内核获取当前的RTC，并独立的管理RTC偏移；当MicroPython访问RTC时，将调用时空隔离域对应的RTC接口，同时加上RTC偏移完成访问。
(7)配置MicroPython运行时所需的标准输入、输出；
如图10所示，MicroPython需要使用stdin、stdout和stderr，时空隔离域将提供抽象的stdin、stdout和stderr，用于支撑MicroPython的运行；即：
a)MicroPython使用stdin时，将从时空隔离域的stdin输入数据；
b)MicroPython使用stdout时，将信息输出到时空隔离域的stdout；
c)MicroPython使用stderr时，错误信息将输出到时空隔离域的stderr。
通过上述内容可知，本发明通过将MicroPython以域服务模块形式加载并运行，并在时空隔离域中配置了MicroPython运行所需的各类资源，从而解决了如何将MicroPython运行于时空隔离域中的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于时空隔离域加载MicroPython的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将MicroPython以域服务模块形式加载并运行；
(2)配置MicroPython运行时所需的多线程机制和线程调度；
(3)配置MicroPython运行时所需的文件系统；
(4)配置MicroPython运行时所需的IO设备管理；
(5)配置MicroPython运行时所需的网络协议栈；
(6)配置MicroPython运行时所需的RTC；
(7)配置MicroPython运行时所需的标准输入和输出；
所述MicroPython以域服务模块形式，通过以下两种方式加载并运行：
(1.1)静态加载：MicroPython作为静态库链接到时空隔离域的域镜像中，当内核加载时空隔离域时将MicroPython与其他域服务模块一同运行；
(1.2)动态加载：MicroPython作为动态库，也即一个独立的模块镜像，在时空隔离域启动后，再动态加载到内存中运行；
所述配置MicroPython运行时所需的多线程机制的方法包括步骤(2.1)～(2.5)：
(2.1)将MicroPython的多线程功能为以下4类：线程管理、线程调度、线程锁管理和线程中断；
(2.2)线程管理由时空隔离域的任务管理抽象实现；
(2.3)线程调度由时空隔离域的任务调度抽象实现；
(2.4)线程锁管理由时空隔离域的互斥锁抽象实现；
(2.5)线程中断由时空隔离域的软中断抽象实现；
所述配置MicroPython运行时所需的文件系统的方法为：MicroPython支持的文件访问包括4类标准接口：open、read、write和close；当MicroPython调用文件访问的标准接口时，将直接访问时空隔离域提供的对应接口；
所述配置MicroPython运行时所需的IO设备管理的方法为：时空隔离域内需要初始化IO设备，将IO设备注册管理，并提供IO设备的访问接口：open、read、write、ioctl和close；当MicroPython访问IO设备时，将调用时空隔离域的多个IO设备访问接口，执行对应的IO操作；
所述配置MicroPython运行时所需的网络协议栈的方法为：时空隔离域内需要初始化网络协议栈，当MicroPython调用BSD socket接口时，将调用时空隔离域的网络协议栈对应接口，执行对应的操作；
所述配置MicroPython运行时所需的RTC的方法为：时空隔离域需要从内核获取当前的RTC，并独立的管理RTC偏移；当MicroPython访问RTC时，将调用时空隔离域对应的RTC接口，同时加上RTC偏移完成访问；
所述配置MicroPython运行时所需的标准输入和输出的方法为：
a)MicroPython使用stdin时，将从时空隔离域的stdin输入数据；
b)MicroPython使用stdout时，将信息输出到时空隔离域的stdout；
c)MicroPython使用stderr时，错误信息将输出到时空隔离域的stderr。
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