CN115237728B - 一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，属于电力系统的嵌入式的技术领域，包括采集模块和记录模块，采集模块的采集过程包括三个子模块，分别为中断切入采集模块、中断切出采集模块、任务切入采集模块，分别挂在中断切入钩子、中断切出钩子、任务切入钩子上。本发明采集记录模块对系统本身影响小；多种触发模式，特别是增加对系统异常情况的运行状态记录，有助于分析异常；整体功能可以以动态库的形式进行加载，在正式发布态下也可使用，对系统影响小。

Description

一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法
技术领域
本发明涉及电力系统的嵌入式的技术领域，尤其涉及一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法。
背景技术
现代电力系统为解决各种复杂的保护和控制问题，设计了功能繁多的任务系统，运行方式也多种多样，为了保证自身的可靠性和安全性，通常采用硬实时操作系统来统筹管理这些复杂多变的任务。
在一个复杂的硬实时操作系统中，系统对性能有着非常高的要求，系统实现的所有功能被划分为多个任务和多个中断进行处理，各种设定的或随机的事件是中断的触发条件，任务调度又有多种不同的调度算法。在系统运行过程中，任务处理、中断处理、信号量和事件等有非常复杂的交互过程，任务具有不同的优先级、中断也能相互嵌套。
比如在一个基于优先级的抢占式任务调度的实时系统中，所有的运行状态按照高优先级中断>低优先级中断>高优先级任务>低优先级任务，所以任何低优先级的任务或中断在执行过程中，如果系统产生了更高优先级的事件，那么低优先级的处理会被打断，转而执行高优先级的处理。这种多层嵌套的处理，会使系统的调度过程极为复杂，根本无法预测和分析某一时刻或某段时间的系统运行情况。特别在遇到非预期问题的时候，任务运行状态的分析更为复杂，要掌握复杂而快速变化的系统运行情况，需要对内核实时运行情况进行监视，所以需要一种方法将某段时间的系统运行状态通过可视化方式展现出来，来帮助系统开发人员进行观察和分析。
目前在linux系统和vxworks系统中分别有两个系统运行状态的分析工具。
LTT（Linux Trace Toolkit）是linux平台内的内核性能分析工具，通过在内核中驻留一个跟踪分析模块，通过对内核事件的跟踪，记录系统行为，使用户了解系统动态，并为后期数据处理提供特色图形化显示核分析工具。
WindView是vxworks平台内的内核性能分析工具，在目标机系统运行的过程中详细记录各个元素之间动态交互的各种信息，然后在开发主机端用图形化的方式直观的显示出来。
上述两种工具的处理策略都是在系统中驻留一个模块，在中断或事件触发过程中，记录当前的任务交互信息，即记录模块。记录模块对系统本身影响较大，记录的触发方式较为单一，无法针对系统异常的情况进行记录，在vxworks中，WindView模块只能在静态编译的时候进行增删，由于该模块对系统运行效率有一定的影响，所以一般在工程分为仿真态和发布态，调试阶段使用仿真态，加入WindView模块进行调试，而发布正式态程序的时候删除该模块以降低影响。正式程序如果出现异常，只能加入该模块进行重新编译，这样就打破了程序的唯一性，改变了程序的代码段和数据段，可能会破坏程序异常触发的窗口，造成异常不能在仿真态下复现。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，包括采集模块和记录模块，所述采集模块的采集过程包括：
S101：遍历系统的中断列表，创建中断切换状态表，并记录每个中断在表中的位置；
S102：获取当前系统正在运行的任务ID和当前时间t0，将TID1配置到当前运行的事件中，在切换事件记录表中增加一条记录，t0时刻开始运行task1；
S103：在t1时刻task2任务进入就绪态，系统调用任务切入回调函数，先将当前运行事件修改为TID2，并获取当前时间t0和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t1时刻开始运行task2；
S104：在t2时刻触发了中断int1，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换列表中被int1打断的对象ID，将TID2更新到中断切换状态表中的序号2一行中，将当前运行事件ID修改为IID1，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t2时刻开始运行int1；
S105：在t3时刻触发了中断int2，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换列表中被int2打断的对象ID，将IID1更新到中断切换状态表中的序号1一行中，将当前运行事件ID修改为IID2，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t3时刻开始运行int2；
S106：在t4时刻，int2的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为IID1，将当前运行事件更新为IID1，在切换事件记录表中增加一条记录，t4时刻开始运行int1；
S107：在t5时刻，int1的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为TID2，将当前运行事件更新TID2，在切换事件记录表中增加一条记录，t5时刻开始运行task2；
S108：在t6时刻，task2的任务执行完成，系统调度会调用系统就绪表的首任务，进入任务切入钩子，将当前运行事件修改为TID1，并获取当前时间和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t6时刻开始运行task1。
进一步的，所述记录模块用来将采集模块获取的切换事件记录表扩展为详细的记录信息，并生成xml文件。
进一步的，在所述记录模块中，包括
S201：重新遍历切换事件记录表；
S202：根据记录表中事件的ID，识别出是任务还是中断，并根据配置需要查询事件的优先级、所属核心、调度策略、就绪方式、剩余时间片、任务状态，最终生成xml文件。
进一步的，在所述S202之后，利用上位机工具根据生成的xml目录文件，在界面端绘制出系统运行状态图。
进一步的，所述系统运行状态的记录的触发方式包括手动触发、条件触发和异常触发；
所述手动触发通过上位机的鼠标点击、shell命令输入等方式来触发系统运行状态的采集，并以采集达到配置的数量上限停止；
所述条件触发通过shell命令或上位机的配置界面，将条件触发的公式配置到系统中；
所述异常触发首先通过shell命令或上位机的配置界面将采集缓存的最大个数配置到系统，然后立即触发采集，当采集达到上限后不停止采集，而是按照循环缓存覆盖存储采集的事件，当系统触发异常之后，采集模块停止采集，在系统复位之后，运行记录模块，将存储在RAM中的采集信息生成最终xml文件。
进一步的，所述系统运行状态的采集以动态库的形式生成。
综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：
（1）采集记录模块对系统本身影响小，为了降低对系统本身的影响，将整个功能划分为采集模块和记录模块，采集模块在中断切入、中断切出和任务切入时触发，只负责采集系统运行状态的几个关键信息，以循环缓存的形式将采集结果存储在RAM特定位置中，循环缓存的上限可配置。记录模块在系统空闲的时候运行，负责根据采集模块的信息，按照时间推移的形式，将某段时间内的系统运行详细信息还原出来；
（2）多种触发模式，特别是增加对系统异常情况的运行状态记录。除了可以进行手动触发和条件触发之外，可以在系统出现严重异常（比如栈溢出、系统崩溃等造成系统死机或复位的异常）之后，恢复异常现场的运行状态，并生成记录报告，有助于分析异常；
（3）整体功能可以以动态库的形式进行加载，在正式发布态下也可使用，对系统影响小。对于一个发布态的产品，在任何情况下，都可以直接加载该动态库，来实现对系统状态的观测，动态库不会破坏源程序的代码段和数据段结构，对系统影响几乎没有影响。
附图说明
图1为本发明实施例中的采集模块和记录模块的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的采集过程的流程示意图；
图3为本发明实施例中的记录模块中运行状态的流程示意图；
图4为本发明实施例中的系统运行状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-图4对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参照图1-图4，本发明实施例公开一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，本发明实施例中，以一个基于优先级的抢占式任务调度系统为例，系统允许中断嵌套，为了便于说明，将系统简化为2个任务和2个中断，如下表1所示。其中优先级由高到低的排序为p4、p3、p2、p1。如下表1所示：
Figure 75920DEST_PATH_IMAGE001
在系统的运行过程中，截取了系统从 t0 到 t7 的一段时间内的运行状态，具体运行过程如下：
（a）在t0时刻，task1（任务1）正在运行；
（b）在t1时刻，task2（任务2）进入就绪态，由于task2的优先级高于task1，系统暂停了task1的任务处理，保存了task1的处理现场，开始执行task2；
（c）在t2时刻，系统产生了int1（中断1），由于中断的优先级高于任务，系统暂停了task2的任务处理，保存了task2的处理现场，开始执行int1的中断处理；
（d）在t3时刻，系统产生了int2（中断2），由于int2的优先级高于int1，系统暂停了int1的中断处理，保存了int1的中断处理现场，开始执行int2；
（e）在t4时刻，int2处理结束，系统恢复int1的处理现场，int1继续处理；
（f）在t5时刻，int1处理结束，系统恢复task2的处理现场，task2继续执行未完任务；
（g）在t6时刻，task2任务执行完，系统恢复task1的处理现场，task1继续执行未完成任务，一直到t7时刻。
在这段时间内的系统运行状态示意图如图4所示。横轴代表时间，从t0时刻到t7时刻；纵轴代表优先级，按照由下往上进行升序排列。
系统运行状态检测主要分为两个模块，采集模块和记录模块。要监视以上的系统运行状态，系统内核需要支持在中断切入、中断切出和任务切入时刻的钩子回调。如果系统内核已经具有中断切入、中断切出和任务切入的钩子回调入口的添加功能，则不需要对内核进行修改，否则需要对内核进行修改，增加这三个钩子回调添加的功能，用以对采集模块的功能支持。
采集模块分为三个子模块，中断切入采集模块、中断切出采集模块、任务切入采集模块，分别挂在中断切入钩子、中断切出钩子、任务切入钩子上。在RAM中申请两段内存，其中一段作为存放切换事件的循环缓存，另一段作为切换事件记录表，如下表2、表3所示：
Figure 898382DEST_PATH_IMAGE002
Figure 932459DEST_PATH_IMAGE003
整个系统运行状态的采集过程包括：
S101：在系统状态采集初始化过程中，遍历系统的中断列表，创建中断切换状态表，并记录每个中断在中断切换状态表中的位置；
S102：在系统运行过程中，在t0时刻触发了系统状态采集功能后，获取当前系统正在运行的任务ID和当前时间t0，将TID1配置到当前运行的事件中，在切换事件记录表中增加一条记录，t0时刻开始运行task1；
S103：在t1时刻task2任务进入就绪态，系统调用任务切入回调函数，先将当前运行事件修改为TID2，并获取当前时间t0和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t1时刻开始运行task2；
S104：在t2时刻触发了中断int1，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换状态表中被int1打断的对象ID，将TID2更新到中断切换状态表中的序号2一行中，将当前运行事件ID修改为IID1，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t2时刻开始运行int1；
S105：在t3时刻触发了中断int2，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换列表中被int2打断的对象ID，将IID1更新到中断切换状态表中的序号1一行中，将当前运行事件ID修改为IID2，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t3时刻开始运行int2；
S106：在t4时刻，int2的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为IID1，将当前运行事件更新为IID1，在切换事件记录表中增加一条记录，t4时刻开始运行int1；
S107：在t5时刻，int1的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为TID2，将当前运行事件更新TID2，在切换事件记录表中增加一条记录，t5时刻开始运行task2；
S108：在t6时刻，task2的任务执行完成，系统调度会调用系统就绪表的首任务，进入任务切入钩子，将当前运行事件修改为TID1，并获取当前时间和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t6时刻开始运行task1。
至此，三个子模块将这段时间的所有记录采集完毕。
系统创建了一个略高于IDLE任务的记录模块任务，用来将采集模块获取的切换事件记录表扩展为详细的记录信息，并生成xml（可扩展标记语言）文件，如下表4所示：
Figure 131360DEST_PATH_IMAGE004
所述记录模块中，包括：
S201：重新遍历切换事件记录表；
S202：根据记录表中事件的ID，识别出是任务还是中断，并根据配置需要查询事件的优先级、所属核心、调度策略、就绪方式、剩余时间片、任务状态等各种相关信息，最终生成xml文件。
S203：利用上位机工具根据生成的xml目录文件，在界面端绘制出系统运行状态图，其中所述系统运行状态图按照时间轴的形式进行展示，所以系统开发人员可以根据需要查找对应时间的系统运行状态，能直观的看出某一时间的系统任务和中断的运行情况。
另外，由于系统不能无限度的一直记录系统运行状态，所以需要通过不同的触发方式来记录一定时间内的系统运行状态，本方法中介绍了三种系统运行状态的触发方式。在任何触发之前都需要配置生成的最大事件个数，或采集时间长短，否则按默认值处理。
触发方式包括手动触发、条件触发和异常触发。
手动触发，通过上位机的鼠标点击、shell命令输入等方式来触发系统运行状态的采集，并以采集达到配置的数量上限停止；
条件触发，通过shell命令或上位机的配置界面，将条件触发的公式配置到系统中，比如某个变量从0变为1、或当前时间到达配置时间等，系统通过检测配置条件来触发系统运行状态的采集，并以采集达到配置的数量上限停止；
shell命令举例说明：
shell配置变量触发条件，命令+变量名+条件+值：monitorVal g_val1 == 1；
shell配置时间出发条件，命令+时间（单位毫秒）：monitorTime 100；
shell配置采集个数出发条件，命令+数量：monitorCnt 10000；
异常触发，首先通过shell命令或上位机的配置界面将采集缓存的最大个数配置到系统，然后立即触发采集，当采集达到上限后不停止采集，而是按照循环缓存覆盖存储采集的事件。当系统触发异常之后，采集模块停止采集，在系统复位之后，运行记录模块，将存储在RAM中的采集信息生成最终xml文件。这样可以将异常发生之前的一段时间的任务运行状态抓取到，便于对异常情况的分析。
系统运行状态的采集以动态库的形式生成，只要系统内核支持采集模块的钩子函数，在任何状态下都能进行加载，并运行采集相关的所有功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，其特征在于，包括采集模块和记录模块，所述记录模块用来将采集模块获取的切换事件记录表扩展为详细的记录信息，并生成xml文件；
在所述记录模块中，包括
S201：重新遍历切换事件记录表；
S202：根据记录表中事件的ID，识别出是任务还是中断，并根据配置需要查询事件的优先级、所属核心、调度策略、就绪方式、剩余时间片、任务状态各种相关信息，最终生成xml文件；
在所述S202之后，利用上位机工具根据生成的xml目录文件，在界面端绘制出系统运行状态图；
所述采集模块的采集过程包括：
S101：遍历系统的中断列表，创建中断切换状态表，并记录每个中断在表中的位置；
S102：获取当前系统正在运行的任务ID和当前时间t0，将TID1配置到当前运行的事件中，在切换事件记录表中增加一条记录，t0时刻开始运行task1；
S103：在t1时刻task2任务进入就绪态，系统调用任务切入回调函数，先将当前运行事件修改为TID2，并获取当前时间t0和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t1时刻开始运行task2；
S104：在t2时刻触发了中断int1，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换列表中被int1打断的对象ID，将TID2更新到中断切换状态表中的序号2一行中，将当前运行事件ID修改为IID1，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t2时刻开始运行int1；
S105：在t3时刻触发了中断int2，则系统在进入中断处理函数之前，会调用中断切入钩子，首先更新中断切换列表中被int2打断的对象ID，将IID1更新到中断切换状态表中的序号2一行中，将当前运行事件ID修改为IID2，获取当前时刻和中断号，在切换事件记录表中增加一条记录，t3时刻开始运行int2；
S106：在t4时刻，int2的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为IID1，将当前运行事件更新为IID1，在切换事件记录表中增加一条记录，t4时刻开始运行int1；
S107：在t5时刻，int1的中断函数处理完成，在退出中断处理之前，会调用中断切出钩子，根据当前运行的中断ID在中断状态切换表中找到被其打断的对象ID为TID2，将当前运行事件更新TID2，在切换事件记录表中增加一条记录，t5时刻开始运行task2；
S108：在t6时刻，task2的任务执行完成，系统调度会调用系统就绪表的首任务，进入任务切入钩子，将当前运行事件修改为TID1，并获取当前时间和任务ID，在切换事件记录表中增加一条记录，t6时刻开始运行task1。
2.根据权利要求1所述的一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，其特征在于：所述系统运行状态的记录的触发方式包括手动触发、条件触发和异常触发；
所述手动触发通过上位机的鼠标点击、shell命令输入方式来触发系统运行状态的采集，并以采集达到配置的数量上限停止；
所述条件触发通过shell命令或上位机的配置界面，将条件触发的公式配置到系统中；
所述异常触发首先通过shell命令或上位机的配置界面将采集缓存的最大个数配置到系统，然后立即触发采集，当采集达到上限后不停止采集，而是按照循环缓存覆盖存储采集的事件，当系统触发异常之后，采集模块停止采集，在系统复位之后，运行记录模块，将存储在RAM中的采集信息生成最终xml文件。
3.根据权利要求2所述的一种实时操作系统运行状态的可视化监视方法，其特征在于：所述系统运行状态的采集以动态库的形式生成。
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Operating system-induced jitter in force display computations;A.E. Kirkpatrick.etc;《12th International Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems》;20040428;第2004年卷;全文 *
基于嵌入式多核平台可视化性能监视系统的设计与实现;张斌杰;《中国优秀硕士论文全文数据库》;20140315;第2014年卷(第3期);全文 *
软硬件协同验证中的系统性能评估方法;张子男等;《电路与系统学报》;20031031;第8卷(第5期);全文 *

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