CN115328629A - 裸金属上扩展uefi固件进行实时性嵌入式管理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，在UEFI系统中嵌入轻量级实时性抢占式多任务调度器，扩展UEFI时钟中断处理程序，并增加任务创立和管理应用程序接口，实现启动固件和操作系统的合一，轻量化和加快启动速度。本发明重复利用UEFI标准接口和现有代码仓库，并针对嵌入式系统做了剪裁，去掉嵌入式系统不常见的驱动和应用，使之能够适用于在裸金属上的嵌入式系统调度和管理，结合了嵌入式轻便实时性特点以及UEFI固件的通用性特点；实现了内存和外存存储的轻量级，加速启动速度。

Description

裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法。

背景技术

现代计算机系统，小到笔记本电脑，大到云服务器机房，UEFI固件的渗透率已经超过95％以上。作为居于统治地位的固件解决方案，UEFI在嵌入式系统却缺乏使用案例。究其原因，UEFI固件的存储(内存和闪存)开销过大，和缺乏实时性多任务调度器是主要原因。任务调度往往需要启动操作系统，进一步放大了开销，为多数嵌入式系统所不能接受。

另一方面，目前嵌入式系统主流方案采用U-Boot加RTOS(实时性操作系统)或嵌入式Linux来实现。尽管实时性多任务调度和轻量级需求得到了满足，但该方案也有明显短板：

1.采用垂直整合定制的方式，缺乏UEFI固件的标准化接口，各个模块往往要移植和定制化开发；

2.U-Boot和RTOS的设备初始化代码重复开发；

3.UEFI二十年积累的丰富功能(如安全、图形化配置、诊断、一键恢复等)得不到复用。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种即解决了轻量级和实时性多任务调度的嵌入式系统强需求，又能复用UEFI丰富功能，避免重复工作的、在裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，在UEFI系统中嵌入轻量级实时性抢占式多任务调度器，扩展UEFI时钟中断处理程序(函数TimeTick())，并增加任务创立和管理应用程序接口，实现启动固件和操作系统的合一，轻量化和加快启动速度。

进一步地，将任务划分为三个层次，包括实时任务、分时任务和后台任务，各任务的优先级由高到低为：实时任务、分时任务和后台任务。

进一步地，实时任务采用绝对优先级调度；分时任务采用时间片调度，各种任务轮流执行；后台任务在系统空闲时运行。

进一步地，任务状态机包括六种状态，分别是运行态、就绪态、睡眠态、阻塞态、中断态和等待态。

进一步地，所有任务开始于睡眠态，睡眠态是指在任务空间中启动时预留的任务调度块，睡眠态之后，再通过调用任务创立函数把任务交给任务调度器，任务建立，随即进入就绪态准备运行。

进一步地，对于分时任务，首先在TCB结构中添加TCB_TimeSlices，以存储任务剩余的时间片；同时定义UEFI_NORMAL_PRIO_START，表示分时任务区间的大小，修改UEFI时钟中断处理函数TimeTick()，来处理与时钟相关的任务状态迁移。

进一步地，分时任务的处理流程包括：

1)对所有任务时延值的处理；

2)判断处于就绪态的分时任务时间片是否用完，如果时间片用完则将其设置为等待态；

3)查出就绪的最高优先级任务，如果该任务在三种任务区间分部中处于后台任务区间，说明没有分时任务或所有的分时任务都处于等待态，此时为所有的分时任务重新分配新的时间片，并将其变更为就绪态；

4)如果当前任务是分时任务，则说明该任务已经消耗了一个时间片，将该任务时间片减1。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

UEFI方案厚重，缺乏实时性多任务调度器，传统嵌入式方案缺乏统一化标准接口，重复开发和不能复用UEFI各种功能。本发明重复利用UEFI标准接口和现有代码仓库，并针对嵌入式系统做了剪裁，去掉嵌入式系统不常见的驱动和应用，使之能够适用于在裸金属上的嵌入式系统调度和管理，结合了嵌入式轻便实时性特点，以及UEFI固件的通用性特点，实现了内存和外存存储的轻量级，加速启动速度。

并且，本发明在UEFI系统固件中嵌入基于时间片的轻量级实时性抢占式多任务调度器，相当于将操作系统主要功能加入UEFI固件中，达到启动固件和操作系统的合一。保证高优先级任务能够抢占低优先级任务的CPU资源；于此同时，优先级调度算法开销足够小，确保任务切换时延窗口下限足够小。同时每个优先级队列长度严格限制，如此保证任务切换时延窗口上限有确定周期，保证实时性要求。如此在解决嵌入式系统主要功能需求的情况下，进一步轻量化和加速了启动速度。

附图说明

图1是本发明的任务层次示意图；

图2是本发明的任务状态机迁移关系图；

图3是本发明的分时任务调度流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本申请的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，在UEFI系统中嵌入轻量级实时性抢占式多任务调度器，扩展UEFI时钟中断处理程序(函数TimeTick())，并增加任务管理应用程序接口(API)如TaskCreate、TaskDel、IntExit和TaskSched等，实现启动固件和操作系统的合一，轻量化和加快启动速度。

实时性和多任务，是众多嵌入式系统的强要求。要满足该要求，需要在内核中支持抢占式多任务调度器，保证高优先级任务能够抢占低优先级任务的CPU资源；于此同时，优先级调度算法开销必须足够小，确保任务切换时延窗口下限足够小。同时每个优先级队列长度需要严格限制，如此保证任务切换时延窗口上限有确定周期，保证实时性要求。

为达到上述要求，本发明提出一种超轻量级任务调度器，并使之嵌入UEFI基础代码。为此，需要扩展UEFI时钟中断处理程序，并增加一组任务创立和管理应用程序接口(API)。

本发明定义64个任务优先级，其中最高和最低各保留了4个作为今后扩展使用。如图1所示，这些任务被划分为三个层次，包括实时任务、分时任务和后台任务，各任务的优先级由高到低为：实时任务、分时任务和后台任务。

实时任务采用绝对优先级调度，对系统驱动或通信等实时性要求高的场合提供支持，由高级程序员编写相应程序；分时任务采用时间片调度，各种任务轮流执行，适用于事务性处理或实时性要求不高的场合，普通程序员在分时任务空间内编写任务。后台任务是指idle任务、统计任务等在系统空闲时运行的任务，其在实时任务和分时任务都没有就绪才有机会运行，后台任务也采用绝对优先级调度。

任务状态机共分为六种状态，分别是运行态、就绪态、睡眠态、阻塞态、中断态和等待态。状态迁移如图2所示。为了降低任务创立开销，所有任务开始于睡眠态，它是指在任务空间中启动时预留的任务调度块，还没有交给系统管理，可以理解为一个静态表。这点与多数操作系统定义睡眠态不同，其他操作系统的睡眠态往往指任务睡眠一段时间(通过调用Sleep函数等手段)后再次进入就绪态，本发明不采用这种定义，也不提供类似接口，以避免和UEFI的标准延时接口Stall重复定义。

本发明中，睡眠态之后，再通过调用任务创立函数把任务交给任务调度器，任务建立，随即进入就绪态准备运行。任务调度器调度该任务开始运行后，任务进入运行态；任务运行期间发生中断则被任务调度器挂起，进入中断态；中断处理完毕，任务调度器调用IntExit()函数让任务重新进入运行态。

运行态任务的时间片用完后，会被任务调度器放入等待态，等待新的时间片产生，再转入就绪态；运行态的任务如果因为互斥量或者临界区等资源不能满足，则发生阻塞，进入阻塞态，直到阻塞原因消除，才能再次进入就绪态，等待被调度运行；在就绪态和阻塞态的时候，任务可以被销毁，通过调用TaskDel()让任务返回到睡眠态。图2中的TaskCreate、TaskDel、IntExit等是新增应用编程接口。

对于落于实时任务优先级的实时任务，每个任务优先级只有一个任务，采用散列调度算法，采取绝对剥夺抢占式调度。

对于分时任务，首先在TCB(任务控制块)结构中添加TCB_TimeSlices，以存储任务剩余的时间片。同时定义UEFI_NORMAL_PRIO_START，表示分时任务区间的大小。

修改UEFI时钟中断处理函数TimeTick()，来处理与时钟相关的任务状态迁移。整体处理流程如图3所示，具体包括以下内容：

S1：对所有任务时延值的处理，具体内容如下：

S11：得到TCB链中的首元素并设为ptcb；

S12：判断ptcb优先级是否为UEFI_IDLE_PRTO，如果是则跳转到S3，如果不是则进行步骤S13；

S13：判断ptcb的delay是否不为零，如果是则ptcb delay减1，如果不是则跳转至步骤S2；

S14：判断ptcb的delay是否为零，如果是则进行步骤S15，如果不是则跳转至步骤S2；

S15：判断ptcb是否被暂停或在等待状态，如果是，则ptcb delay为1，如果不是，则ptcb的状态设置为就绪。

S2：判断处于就绪态的分时任务时间片是否用完，如是则将其设置为等待态；具体步骤如下：

S21：判断ptcb是否在分时任务区间且时间片为0且在就绪态，如果是则进行步骤S22，如果不是，则进行步骤S23；

S22：设ptcb为等待态；

S23：ptcb指向下一个TCB，然后进行步骤S12。

S3：查出就绪的最高优先级任务，如果该任务在三种任务区间分部(图1)中处于后台任务区间，说明没有分时任务或所有的分时任务都处于等待态，此时为所有的分时任务重新分配新的时间片，并将其变更为就绪态；具体包括以下步骤：

S31：得到当前就绪的最高优先级任务；

S32：判断该任务是否低于分时空间，如果是则找出所有在分时任务区间中等待态的任务，重新划分时间片，并使其进入就绪状态，如果不是则执行步骤S4。

S4：如果当前任务是分时任务，则说明该任务已经消耗了一个时间片，将该任务时间片减1。具体包括以下步骤：

S41：判断当前任务是否在分时任务区间且剩余时间片＞0，如果是则该任务时间片减1，如果不是则任务结束。

从处理流程可以看出，实时任务优先级高，调度不受影响。分时任务在运行态时，其时间片会不停减少，直到剩余时间片为零，则进入等待态。当系统的所有分时任务都进入了等待态，则对在等待态的分时任务重新计算剩余时间片，并把它们都设为就绪态，则新的一轮分时任务交替运行又开始了。所有的后台任务的调度也不受影响。

本发明中新增的API，如TaskDel用于任务的注销，重新进入睡眠态；TaskSched用于任务的调度、TaskStkInit用于任务栈空间的初始化、IntExit用于中断返回，这些函数的伪代码这里不再列出。

本发明增加的API TaskCreate伪码如下:

如此，本发明完成了将RTOS(实时操作系统)的主要功能加入UEFI固件中。操作系统其余非必须功能，有些UEFI固件已经具备，如内存空间管理等；有些则在实践中证明不是必须，本发明不再赘述。

本发明将UEFI固件中嵌入式系统不需要的部分，如PC或者服务器中常用而嵌入式中罕见的总线和设备驱动，进行了删减。对某些优秀功能予以保留，嵌入式系统可以选择添加。如此，将UEFI固件进行了轻量化处理，降低了内存占用量和提高了启动速度。

本发明创新性地在UEFI固件中加入基于时间片的抢占式多任务调度器，并裁剪掉其中嵌入式系统不需要的组件。本发明将操作系统核心部分融入UEFI固件，并对UEFI进行裁剪。以达到取两者之长，更好地应用于嵌入式系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：在UEFI系统中嵌入轻量级实时性抢占式多任务调度器，扩展UEFI时钟中断处理程序，并增加任务注册和管理应用程序接口，实现启动固件和操作系统的合一，轻量化和加快启动速度。

2.根据权利要求1所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：将任务划分为三个层次，包括实时任务、分时任务和后台任务，各任务的优先级由高到低为：实时任务、分时任务和后台任务。

3.根据权利要求2所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：实时任务采用绝对优先级调度；分时任务采用时间片调度，各种任务轮流执行；后台任务在系统空闲时运行。

4.根据权利要求1所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：任务状态机包括六种状态，分别是运行态、就绪态、睡眠态、阻塞态、中断态和等待态。

5.根据权利要求4所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：所有任务开始于睡眠态，睡眠态是指在任务空间中启动时预留的任务调度块；睡眠态之后，再通过调用任务创立函数把任务交给任务调度器，任务建立，随即进入就绪态准备运行。

6.根据权利要求2所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：对于分时任务，首先在TCB结构中添加TCB_TimeSlices，以存储任务剩余的时间片；同时定义UEFI_NORMAL_PRIO_START，表示分时任务区间的大小，修改UEFI时钟中断处理函数TimeTick()，来处理与时钟相关的任务状态迁移。

7.根据权利要求6所述的裸金属上扩展UEFI固件进行实时性嵌入式管理的方法，其特征在于：分时任务的处理流程包括：

1)对所有任务时延值的处理；

2)判断处于就绪态的分时任务时间片是否用完，如果时间片用完则将其设置为等待态；

3)查出就绪的最高优先级任务，如果该任务在三种任务区间分部中处于后台任务区间，说明没有分时任务或所有的分时任务都处于等待态，此时为所有的分时任务重新分配新的时间片，并将其变更为就绪态；

4)如果当前任务是分时任务，则说明该任务已经消耗了一个时间片，将该任务时间片减1。

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