CN116685948A - 管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置。本发明包括硬件物理层、操作系统层和管理程序，所述操作系统层由不同类型的多个操作系统组成，所述管理程序为与构成所述操作系统层的多个操作系统相对应的多个操作系统域中的每个操作系统域分配用于使用所述硬件物理层的系统资源的基本资源，使得所述多个操作系统在虚拟机环境中操作，并且由所述管理程序为所述多个操作系统域中的每个操作系统域分配的所述基本资源包括：当作为所述多个操作系统域中的一个的特定操作系统域直接使用所述系统资源时消耗的第一资源、当所述管理程序使用所述系统资源时消耗的第二资源、以及当所述特定操作系统域使用所述硬件物理层的输入/输出设备时由驱动所述输入/输出设备的设备驱动程序域在使用所述系统资源的过程中消耗的第三资源。根据本发明，存在解决以下问题的效果：由于在管理程序上操作的一些操作系统域过度使用系统资源并且剩余的操作系统域、特别是实时操作系统不能在满足实时要求时操作的情况的发生而发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范分配的系统资源变得不足的现象。

Description

管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置
技术领域
本发明涉及管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置。更具体地，本发明涉及能够防止如下问题的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置，其中由于在管理程序上操作的一些操作系统域过度使用系统资源，并且剩余的操作系统域、特别是实时操作系统不能在满足实时要求时操作的情况的发生，而发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范分配的系统资源变得不足的现象。
背景技术
通常，管理程序软件是使得一个计算机硬件能够变成多个虚拟计算机硬件的软件，并且对于管理程序软件的设计/开发，需要在创建诸如Windows和Linux的通用操作系统软件的级别上的高级技术。
过去，管理程序已用于提高云数据中心的硬件效率并操作计算，使得即使在操作系统升级时银行服务也不会中断。
在未来，预测管理程序将其应用扩展到诸如未来汽车、无人机和机器人的高级设备。在现有管理程序上运行的操作系统是诸如Linux的通用操作系统，但是未来要使用的领域是诸如汽车、无人机和机器人的实时系统。因此，对于在管理程序上运行的操作系统，预测实时操作系统将成为主流。
当这样的管理程序有效地使用计算机硬件并同时操作若干操作系统时，管理程序根据给定的规范为每个操作系统分配硬件资源以操作操作系统。
同时，在硬件资源中，通常由管理程序上的多个操作系统使用的输入/输出设备，诸如网络、触摸屏和鼠标，可能消耗比根据规范分配的硬件资源更多的资源。
由于硬件资源被过度使用的情况，可能发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范而分配的硬件资源变得不足的现象。
由于将来将应用的诸如汽车、无人机和机器人的装置使用实时操作系统，因此当发生上述硬件资源短缺时，存在实时操作系统不能提供正常服务的问题，并且诸如汽车、无人机和机器人的系统发生故障。
该问题将参考图1和2更具体地且示例性地描述如下。
图1是示例性地图示根据现有技术的由用于网络功能的四个不同操作系统消耗的CPU资源的示意图，并且图2是示例性地图示根据现有技术的由用于存储功能的四个不同操作系统消耗的CPU资源的示意图。
参考图1和2，操作系统TcN1过度消耗用于网络功能和存储功能的CPU资源，这是当发生上述问题时引起的极端现象。这样，当特定操作系统过度使用大约70％的硬件资源时，出现其他操作系统不能充分使用根据规范分配的硬件资源的问题。
[现有技术文献]
[专利文献]
未审查专利申请公开号10-2021-0127427(公开日期：2021年10月22日，标题：多核嵌入式系统中CPU虚拟化方法及装置)
未审查专利申请公开号10-2021-0154769(公开日期：2021年12月21日，标题：基于微内核的可扩展管理程序)
未审查专利申请公开号10-2019-0029977(公开日期：2019年3月21日，标题：设备控制系统及其驱动方法)
未审查专利申请公开号10-2015-0090439(公开日期：2015年8月6日，标题：多核系统中的管理程序的调度方法)
发明内容
技术问题
本发明的技术问题是防止如下问题，其中由于在管理程序上操作的一些操作系统域过度使用系统资源，并且剩余的操作系统域、特别是实时操作系统不能在满足实时要求时操作的情况的发生，而发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范而分配的系统资源变得不足的现象。
本发明的更具体的技术问题是通过精确地测量当操作系统域使用设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(F(CB))，和当操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用(F(CN))，并将它们包括在由管理程序分配给操作系统域的基本资源中，从根本上防止在管理程序上操作的操作系统域的系统资源变得不足的问题。
技术方案
根据本发明的用于解决这些技术问题的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置包括硬件物理层、操作系统层和管理程序，所述操作系统层由不同类型的多个操作系统组成，所述管理程序为与构成所述操作系统层的多个操作系统相对应的多个操作系统域中的每个操作系统域分配用于使用所述硬件物理层的系统资源的基本资源，使得所述多个操作系统在虚拟机环境中操作，并且由所述管理程序为所述多个操作系统域中的每个操作系统域分配的所述基本资源包括当作为所述多个操作系统域中的一个的特定操作系统域直接使用所述系统资源时消耗的第一资源、当所述管理程序使用所述系统资源时消耗的第二资源、以及当所述特定操作系统域使用所述硬件物理层的输入/输出设备时由驱动所述输入/输出设备的设备驱动程序域在使用所述系统资源的过程中消耗的第三资源。
在根据本发明的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置中，所述第三资源包括当所述特定操作系统域使用所述设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(f(CB))、以及当特定操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用(f(CN))。
在根据本发明的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置中，所述第一资源包括当特定操作系统域的应用使用系统资源时发生的应用资源使用(f(CA))、当特定操作系统域的前端设备驱动程序使用系统资源时发生的前端设备驱动程序资源使用(f(CF))、以及当特定操作系统域使用系统资源而不管应用程序和前端设备驱动程序如何时发生的基本资源使用(f(CO))。
在根据本发明的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置中，当特定操作系统域的应用使用输入/输出设备时，构成管理程序的利用率监视器和记账管理器测量用于在特定操作系统域的前端设备驱动程序和设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间执行的消息交换的第一单位系统资源使用，并且通过将第一单位系统资源使用乘以消息交换的数量来计算后端设备驱动程序资源使用(f(CB))，并且当在特定操作系统域的前端设备驱动程序和设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间交换消息时，测量由设备驱动程序域使用的第二单位系统资源使用，并通过将第二单位系统资源使用乘以消息交换的数量来计算本机设备驱动程序资源使用((f(CN))。
在根据本发明的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置中，所述系统资源包括中央处理单元(CPU)资源、微控制器单元(MCU)资源和存储器资源中的一个或多个。
在根据本发明的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置中，构成所述操作系统层的所述多个操作系统包括一个或多个实时操作系统和一个或多个通用操作系统。
有益效果
根据本发明，存在解决以下问题的效果：由于在管理程序上操作的一些操作系统域过度使用系统资源，并且剩余的操作系统域、特别是实时操作系统不能在满足实时要求时操作的情况的发生，而发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范而分配的系统资源变得不足的现象。
此外，通过精确地测量当操作系统域使用设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(F(CB))，和当操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用(F(CN))，并将它们包括在由管理程序分配给操作系统域的基本资源中，存在从根本上防止在管理程序上操作的操作系统域的系统资源变得不足的问题的效果。
附图说明
图1是示例性地图示根据现有技术的由用于网络功能的四个不同操作系统消耗的CPU资源的示意图。
图2是示例性地图示根据现有技术的由用于存储功能的四个不同操作系统消耗的CPU资源的示意图。
图3是图示根据本发明的实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置的示意图。
图4是示例性地图示根据本发明的实施例的管理程序的配置的示意图。
图5和图6是用于图示性地描述根据本发明的实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置的特定操作的示意图。
具体实施方式
在本说明书中公开的根据本发明的概念的实施例的具体结构或功能描述仅出于解释根据本发明的概念的实施例的目的而进行图示，并且根据本发明的概念的实施例可以以各种形式体现，并且不限于本说明书中描述的实施例。
可以对根据本发明的概念的实施例进行各种修改，并且实施例可以具有各种形式，并且因此在附图中图示并在本说明书中详细描述了实施例。然而，这并不旨在将根据本发明的概念的实施例限制为特定的公开形式，并且包括包含在本发明的精神和技术范围内的所有修改、等同物或替代物。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。诸如在常用词典中定义的那些的术语应当被解释为具有与相关领域的背景下的含义一致的含义，并且不应当被解释为理想的或过于正式的含义，除非在本申请中明确定义。
在下文中，将首先描述本发明的基本原理，并且然后将详细描述本发明的实施例。
当管理程序30有效地使用计算机硬件来同时操作多个操作系统时，管理程序30根据给定的规范为每个操作系统分配硬件资源以操作操作系统。
在硬件资源中，通常由管理程序30上的多个操作系统使用的输入/输出设备，例如网络、触摸屏及鼠标，可能消耗比根据规范分配的硬件资源更多的资源。
由于过度使用硬件资源的情况，可能发生根据管理程序30上的每个操作系统的原始规范分配的硬件资源变得不足的现象。
也就是说，当多个操作系统中的特定操作系统过度使用硬件资源时，出现除了特定操作系统之外的其他操作系统不能充分使用根据规范分配的硬件资源的问题。
同时，由于将来将应用的诸如汽车、无人机和机器人的设备使用实时操作系统，因此当发生上述硬件资源短缺时，存在实时操作系统不能提供正常服务以及汽车、无人机、机器人等的系统故障的问题。
这种硬件资源短缺现象的原因及其解决方案描述如下。
在现有技术中，当将资源分配给在管理程序30上操作的多个操作系统时，在没有通过准确地分类甚至两个或更多个操作系统的“常用的输入/输出设备”来考虑资源使用的情况下分配操作系统内核的硬件资源，这导致硬件资源短缺的现象。
也就是说，根据现有技术，当多个操作系统中的一个操作系统大量运行使用公共输入/输出设备的服务，而另一个操作系统运行很少使用公共输入/输出设备的服务时，“常用输入/输出设备”使用的硬件资源没有通过包括在资源使用中而得以衡量。此外，存在这样的问题，即当软件中发生病毒感染、错误等时，该问题甚至扩展得更多。
本发明以以下述方式解决这些问题。
也就是说，响应于诸如未来汽车、无人机和机器人的自动驾驶设备的激增，未来管理程序30需要支持实时操作系统，并且因此，需要充分使用根据管理程序30上的多个操作系统中的每一个的预定规范分配的硬件资源。
为此，本发明提供了一种用于实时管理“常用输入/输出设备”驱动程序使用的硬件使用的机制，以确保观察到这些资源分配数量，同时允许管理程序30在为每个操作系统分配硬件资源时通过例如回归分析来整合和分配足够的硬件资源以供应用程序/内核和输入/输出设备驱动程序使用。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
图3是示例性地图示根据本发明的实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置的示意图，并且图4是示例性地图示根据本发明的实施例的管理程序的配置的示意图。
参考图3和图4，根据本发明实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置可以被配置为包括硬件物理层10、操作系统层20和管理程序30。
硬件物理层10是构成实现根据本发明的实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置的物理装置的元件。例如，构成硬件物理层10的物理设备可以包括中央处理单元(CPU)或微控制器单元(MCU)、包括动态随机存取存储器(DRAM)等的存储器、以及输入/输出设备。输入/输出设备可以包括但不限于存储器、网络设备、包括触摸屏等的信息输出设备、包括键盘、鼠标等的信息输入设备、串行输入/输出设备等。
操作系统层20由多个不同类型的操作系统组成。例如，构成操作系统层20的多个操作系统可以被配置为包括一个或多个实时操作系统和包括UNIX、Windows等的一个或多个通用操作系统。
管理程序30是通过为与构成操作系统层20的多个操作系统对应的多个操作系统域中的每一个分配基本资源以使用硬件物理层10的系统资源来允许多个操作系统在虚拟机环境中操作的部件。
例如，由管理程序30为多个操作系统域中的每一个分配的系统资源可以包括中央处理单元(CPU)资源、微控制器单元(MCU)资源和存储器资源中的一个或多个。
参考图4的示例，管理程序30可以被配置为包括资源分配器32、域管理器34、存取控制器36以及利用率监视器和记帐管理器38。
资源分配器32为每个域分配一定量的系统硬件资源，诸如CPU和存储器。
域管理器34根据由资源分配器32分配的资源量以时分方式调度域，并在调度期间管理背景切换。
存取控制器36控制诸如域、硬件系统资源和数据的对象之间的存取。
利用率监视器和记帐管理器38监视由每个域、设备驱动程序和消息使用的硬件系统(例如，包括CPU)资源的量，并管理使用。
例如，如果硬件系统资源是CPU资源，则在本发明的实施例中，通过将由每个操作系统域使用的CPU资源量与由设备驱动程序域使用的CPU资源量相加来为每个操作系统定量分配的CPU使用，利用构成管理程序30的利用率监视器和记帐管理器38来准确地观察和管理。因此，当实时操作系统域在管理程序30上操作时，保证使用根据规范分配的CPU资源，并且因此可以稳定地保证实时操作系统的服务。
例如，由管理程序30为多个操作系统域中的每一个分配的基本资源可以被配置为包括第一资源、第二资源和第三资源。
第一资源是当作为多个操作系统域中的一个的特定操作系统域直接使用系统资源时消耗的资源。
例如，第一资源可以被配置为包括应用资源使用(f(CA))、前端设备驱动程序资源使用(f(CF))和基本资源使用(f(CO))。
应用资源使用(f(CA))是当特定操作系统域的应用使用系统资源时发生的资源使用。
前端设备驱动程序资源使用(f(CF))是当特定操作系统域的前端设备驱动程序使用系统资源时发生的资源使用。
基本资源使用(f(CO))是当特定操作系统域使用系统资源而不管应用和前端设备驱动程序如何时发生的资源使用。
第二资源是当管理程序30使用系统资源时消耗的资源。
第三资源是当特定操作系统域使用硬件物理层10的输入/输出设备时驱动输入/输出设备的设备驱动程序域在使用系统资源的过程中消耗的资源。
例如，第三资源可以被配置为包括后端设备驱动程序资源使用(f(CB))和本机设备驱动程序资源使用((f(CN))。
后端设备驱动程序资源使用(f(CB))是当特定操作系统域使用设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的系统资源使用。
本机设备驱动程序资源使用((f(CN))是当特定操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的系统资源使用。
例如，构成管理程序30的利用率监视器和记帐管理器38可以被配置为当特定操作系统域的应用使用输入/输出设备时，测量用于在特定操作系统域的前端设备驱动程序和设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间执行的消息交换的第一单位系统资源使用，并且通过将第一单位系统资源使用乘以消息交换的数量来计算后端设备驱动程序资源使用(f(CB))。
此外，例如，管理程序30可以被配置为当在特定操作系统域的前端设备驱动程序和设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间交换消息时，测量由设备驱动程序域使用的第二单元系统资源使用，并且通过将第二单元系统资源使用乘以消息交换的数量来计算本机设备驱动程序资源使用((f(CN))。
在下文中，进一步参考图5和图6，将图示性地描述根据本发明的实施例的管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置的具体操作。
图5是设备驱动程序域与操作系统域隔离的系统架构的示例，并且图6是设备驱动程序域合并到操作系统域中的系统架构的示例。本发明的实施例可以共同应用于图5和图6所示的系统架构。在参考图5和图6的示例中，基于系统资源中的CPU资源来描述本实施例，但是基本上相同的原理可以应用于诸如DRAM的存储器资源。
进一步参考图5和图6，管理程序30执行为N个操作系统(OS)域中的每一个分配CPU(或MCU)资源和DRAM资源的功能。
在这种情况下，在现有技术中，由于在管理由管理程序30分配的每个操作系统域的CPU使用时仅管理由操作系统域直接使用的CPU使用，所以每个操作系统域的由设备驱动程序域使用的CPU使用不反映在对应的操作系统域的CPU使用中。操作系统域的CPU使用和设备驱动程序域使用的CPU使用的总和可能超过CPU可以提供的总CPU使用。由于这种分配方法的不准确性，存在使用不正确分配的CPU的操作系统域不能在满足实时要求的同时操作的问题，特别是在实时操作系统的情况下。
在整个系统中软件使用的CPU使用可以表示为下面的表1。CPU使用在表1中基于N个操作系统域中的第K个操作系统域来进行图示，但是该示例可以同样应用于其他操作系统域。
[表1]
参考表1，管理程序30可以实际分配给N个操作系统域的总CPU资源(F(CE))如下面的等式1所示。[等式1]
F(CE)＝FC-f(CH)
当为每个操作系统域分配根据现有技术的管理程序系统的总CPU资源(F(CE))时发生的问题如下。
在现有技术中，仅主要考虑f(CA)k、f(CF)k、f(CO)k和F(CH)，并且为每个操作系统域分配CPU资源。
这里，在现有技术中，当第K个操作系统域根据应用的要求使用设备驱动程序域时，不预先考虑设备驱动程序域应该使用多少CPU资源。因此，如果设备驱动程序域使用的CPU资源量过度增加，则在整个系统操作期间发生超过FC的异常CPU资源需求，这最终使得任何操作系统域都不可能使用根据规范分配的CPU资源量。因此，当操作系统域是实时操作系统时，会出现不能保证实时服务的问题。
本发明的实施例通过以下配置来解决现有技术的这些问题。
也就是说，在本发明的实施例中，当多个操作系统域中的任何特定操作系统域使用硬件物理层10的输入/输出设备时，在由驱动输入/输出设备的设备驱动程序域使用系统资源的过程中消耗的第三资源包括在由管理程序为多个操作系统域中的每一个分配的基本资源中，并且第三资源被配置为包括当特定操作系统域使用设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(f(CB))以及当特定操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用((f(CN))。
当针对每个操作系统域使用设备驱动程序域时，用于估计诸如f(CB)和f(CN)的CPU使用的示例性配置如下。
例如，当第K个操作系统域的应用程序正在操作时，为了量化所需设备驱动程序域的f(CB)和f(CN)，如果测量了应用程序与设备驱动程序域的后端设备驱动程序通信所发生的消息交换(参见图5和图6中的虚线)的单位CPU使用，并且测量了在那时使用的设备驱动程序域使用的CPU使用，则可以获得在操作后端设备驱动程序和本机设备驱动程序时使用的第K个操作系统域的CPU使用。为此目的，例如，可以采用每个硬件的CPU使用预先使用诸如示波器的测量设备来测量并且被存储的配置。
如上面详细描述的，根据本发明，存在防止以下问题的效果：由于在管理程序上操作的一些操作系统域过度使用系统资源，并且剩余的操作系统域、特别是实时操作系统不能在满足实时要求时操作的情况的发生，而发生根据管理程序上的每个操作系统的原始规范分配的系统资源变得不足的现象。
此外，通过精确地测量当操作系统域使用设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(f(CB))，和当操作系统域使用设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用(f(CN))，并将它们包括在由管理程序分配给操作系统域的基本资源中，存在从根本上防止在管理程序上操作的操作系统域的系统资源变得不足的问题的效果。
附图标记说明
10：硬件物理层
20：操作系统层
30：管理程序
32：资源分配器
34：域管理器
36：存取控制器
38：利用率监视器和记账管理器

Claims (6)

1.一种管理程序系统的操作系统性能干扰防止装置，所述装置包括：
硬件物理层；
操作系统层，所述操作系统层由不同类型的多个操作系统组成；以及
管理程序，所述管理程序为与构成所述操作系统层的多个操作系统相对应的多个操作系统域中的每个操作系统域分配用于使用所述硬件物理层的系统资源的基本资源，使得所述多个操作系统在虚拟机环境中操作，
其中由所述管理程序为所述多个操作系统域中的每个操作系统域分配的所述基本资源包括：
当作为所述多个操作系统域中的一个的特定操作系统域直接使用所述系统资源时消耗的第一资源；
当所述管理程序使用所述系统资源时消耗的第二资源；以及
当所述特定操作系统域使用所述硬件物理层的输入/输出设备时由驱动所述输入/输出设备的设备驱动程序域在使用所述系统资源的过程中消耗的第三资源。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第三资源包括：
当所述特定操作系统域使用所述设备驱动程序域的后端设备驱动程序时发生的后端设备驱动程序资源使用(f(CB))；以及
当所述特定操作系统域使用所述设备驱动程序域的本机设备驱动程序时发生的本机设备驱动程序资源使用(f(CN))。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一资源包括：
当特定操作系统域的应用使用系统资源时发生的应用资源使用(f(CA))；
当特定操作系统域的前端设备驱动程序使用系统资源时发生的前端设备驱动程序资源使用(f(CF))；以及
当特定操作系统域使用系统资源而不管应用程序和前端设备驱动程序如何时发生的基本资源使用(f(CO))。
4.根据权利要求2所述的装置，其中当特定操作系统域的应用使用输入/输出设备时，构成所述管理程序的利用率监视器和记账管理器测量用于在所述特定操作系统域的前端设备驱动程序与所述设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间执行的消息交换的第一单位系统资源使用，并通过将所述第一单位系统资源使用乘以消息交换的数量来计算所述后端设备驱动程序资源使用(f(CB))，并且当在特定操作系统域的前端设备驱动程序和设备驱动程序域的后端设备驱动程序之间交换消息时，测量由设备驱动程序域使用的第二单位系统资源使用，并通过将所述第二单位系统资源使用乘以消息交换的数量来计算所述本机设备驱动程序资源使用((f(CN))。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述系统资源包括中央处理单元(CPU)资源、微控制器单元(MCU)资源和存储器资源中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的装置，其中构成所述操作系统层的所述多个操作系统包括一个或多个实时操作系统和一个或多个通用操作系统。
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