CN1361478A - 实时家庭操作系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种实时家庭操作系统,由实时操作系统和微GUI窗口系统组合而成,包括一个微内核以及由其通过软件总线进行协调管理的一组相互合作的进程,还包括其处理优先级自高而低排列的三个请求队列,安全保证排队、质量保证排队和普通排队,在常规操作系统内核与硬件中断之间嵌有中断重导器。本发明建立在各方面性能得到证明和公认的Linux操作系统之上,故可在不同的Unix版本上进行平滑的移植,由于带有许多GNU开发工具,因此使用非常方便。
Description
本发明涉及应用系统支持环境技术，具体涉及可支持通过网络实现对各种设备进行实时控制及信息处理的实时家庭操作系统(HOP)及其实现方法。
家居系统有家庭网络系统、家庭自动化系统、家庭电子器件设备等，其中涉及设备之间、设备与外部之间的互连通信以及基于这种互连通信的信息处理和实时控制。随着网络技术的发展，家居系统正处于从传统孤立的局部系统向网络化和智能化系统过渡的阶段。为支持互连通讯，家居系统应能支持的通信介质包括电话线、网络电缆(如DSL，ISDN)、能源线、无线和红外线。家居系统的通信方式在家庭内部多采用LAN有线通信技术或无线通信。家庭网络和Internet的通信可采用电缆、电话或专线连接。至于家庭内部局域无线通信也正在考虑采用BlueTooth、WAP、Home RF、IEEE802.11和IEEE1394；家庭内部有线通信主要采用10/100BaseT局域网技术。能源线的通信协议主要采用X10通讯协议。家庭内部网络和Internet的通信主要采用TCP/IP通信协议。至于控制环节，就家居系统涉及的家用电器、安全设备等，分别有各自不同的控制算法，主要涉及自适应控制、PID控制和模糊控制等。
为实现家居系统控制，可采用实时嵌入式操作系统，例如，用于内嵌式控制器的通用型操作系统MS Windows CE、3Com PalmOS、Embedded Real-time Linux、PowerTV、VxWorks、pSOS与OS-9等等。但由于家居系统会涉及不同厂商的设备，通用性会存在欠缺，特别是上述系统在进行其二次开发存在原代码引起的知识产权及成本问题。
本发明的目的在于提供一种实时家庭操作系统及其实现方法，可以提供以下功能：1)符合OSGi的标准体系，从而使各类服务可以方便地从广域网传至局域网和各类家庭设备上；2)支持对各种家庭网络化设备(如网络家电)的实时控制。既能确保安全性(Assurance of Safety，AoS)，比如对易燃、安全和报警装置的实时控制，监视和通讯；又能确保服务质量(Quality of Service，QoS)，比如空调、冰箱、娱乐装置的控制；3)支持基于移动代理技术(Mobile Agent Technology)的智能集散控制系统；4)提供友好、完备的用户界面和各类通用的开发和应用工具；5)除内核外，基本应采用通用的应用程序接口(API)。
本发明的目的是这样实现的，构造一种实时家庭操作系统(HOP)，是专用实时操作系统(RTOS)和常规平台操作系统(Platform Operating Systems)的有机混合体，具体地说，本发明提供的一种实时家庭操作系统，由实时操作系统和微GUI窗口系统组合而成，所述微GUI窗口系统包括一个完全内嵌和自选型的模块化的图形开发环境，还包括一个微内核以及由其通过软件总线进行协调管理的一组相互合作的进程，所述微内核包括进程调度、条件变量、消息传递、标志信号和内存管理的内核程序，还包括嵌入在所述常规操作系统的内核与硬件中断之间的中断重导器，所述中断重导器收到普通中断信号时，对一个标志位进行设置而不立即执行中断任务；当中断重导器收到实时中断信号时，则根据实时任务调度算法进行调度，经处理后发给相关的驱动器或某系统管理程序模块，执行中断任务；只有当中断重导器将中断打开后，那些设置了标志位的普通中断才能得以继续执行。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，所述中断重导器通过抽象层(HAL)实现对硬件的控制。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，所述操作系统是基于Linux操作系统实现的，并支持POSIX APIs。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，在所述Linux操作系统的任务排队中设置有三层反馈结构，AoS排队，QoS排队和普通排队。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，包括实时动态负荷控制程序，用于动态组织和调度连接到所述平台的各个单元控制程序。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，还包括可支持整个TCP/IP体系的各个功能并可动态插入和退出的以下模块，PPP、DHCP、NFS、RPC和SNMP。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，所述内核程序处理各个过程间的通信采用三种形式，即消息、授权和信号，其中，消息是合作的过程之间进行同步通信的基本方式，此时，发出消息的过程要求接收过程对消息要回执甚至回答；授权，一种特别的消息，适于发出过程不需要与接收方交往的情况；信号，是传统的IPC方式，用来支持过程间的异步通信。
按照本发明提供的实时家庭操作系统，其特征在于，包括以下标准过程：1)过程管理程序过程，用于产生新的过程并管理与过程相关的基本资源，其中，过程的产生和资源的管理都是通过消息的传送来实现的；2)文件系统管理程序过程，用于处理有关打开、关闭和读写文件要求，以方便存取硬盘和其他系统上的数据，标准文件类型包括一般文件、目录、负荷指针、管道和FIFO等，根据不同的命名空间的存储介质；DOS文件系统管理程序和CD-ROM、NSF以及Flash文件管理程序；3)设备管理程序过程：用于管理控制应用过程和设备之间的数据流，其中与硬件设备的联系是由各硬件的驱动器来完成，设备管理程序只完成与驱动器界面之间的数据传收，对多数硬件设备，其驱动器与驱动器界面之间的数据交换必须通过共享内存来完成；4)网络管理程序过程，用于将消息沿局域网传到其它节点或远程系统上。网络管理程序通过特设的内存区直接与HOP内核和过程管理通信，从而使消息的传输可靠有效。
本发明提供的一种实时家庭操作系统的实现方法，包括以下步骤：将实时操作系统和微GUI窗口系统进行组合，设置三个队列分别处理优先级自高而低排列的三个请求队列：安全保证排队、质量保证排队和普通排队；在所述常规操作系统的内核与硬件中断之间嵌入一个中断重导器，使得在所述中断重导器收到普通中断信号时，对一个标志位进行设置而不立即执行中断任务；当中断重导器收到实时中断信号时，则根据实时任务调度算法进行调度，经处理后发给相关的驱动器或某系统管理程序模块，执行中断任务；只有当中断重导器将中断打开后，那些设置了标志位的普通中断才能得以继续执行。
实施本发明提供的实时家庭操作系统，由于是建立在工作性能、稳定性、可靠性、安全性和可开发性都得到证明和公认的Linux操作系统之上，由于Linux支持Posix标准，所以可以在不同的Unix版本上进行平滑的移植。而且本系统带有许多GNU开发工具，因此在使用上非常方便，能够完全达到本发明提出的目的和功能要求。
结合附图和实施例，进一步说明本发明的特点，附图中：
图1是本发明实时家庭操作系统的结构示意图；
图2是本发明实时家庭操作系统的微内核结构示意图。
如图1所示，本发明的实时家庭操作系统(HOP)是直接对常规平台Linux操作系统的内核进行实时改造而成。在与微内核101连接的软件总线102上，可挂接有以下模块：过程管理程序103、排队管理程序104、CIFS文件管理程序105、DOS文件管理程序106，GUI管理程序107、HOP网络管理程序108、CD-ROM文件管理程序109、设备管理程序110、应用程序111、TCP/IP管理程序112、HOP文件管理程序113、Flash文件管理程序114、NFS文件管理程序115、资源管理程序116。在上述机构中，各类模块地位同等，都属非递阶结构，但是各模块的进程优先级不同。
在如图2所示的微内核101结构中，关键是在常规Linux内核与硬件中断之间嵌入了一个中断重导器201，如图2所示，该微内核包括IPC202、网络接口203、调度程序204，其中，中断重导器201可根据控制信号通过抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL)来实现对硬件的控制。为此，系统中所有的中断分为普通中断和实时中断两类。当中断重导器201收到的中断信号是普通中断信号时，仅对标志位设置而不立即执行中断任务；当中断重导器201收到的中断信号是实时中断信号时，将根据实时任务调度算法进行调度，进而执行中断任务；只有当中断重导器201将中断打开后，那些设置了标志位的普通中断才能得以继续执行。网络接口203通过网络管理模块205连接到网络介质206。
但何时中断重导器201将中断打开？当系统将所有的实时中断信号处理完毕后，就处理普通中断的队列。
例子：假设系统正在处理实时中断信号，此时从网卡发来一个普通中断信号(假定此时硬件并未屏蔽中断)。系统发现此时未处理完实时中断，只是简单地设置标志位、读入必要的中断信息和放入到中断队列中，马上返回到刚刚的实时中断中，继续进行处理。当处理完实时中断后，系统扫描普通中断队列，依次进行处理。如果此时又收到实时中断信号，则普通中断被抢占，处理实时中断。处理完成后，再继续处理普通中断。
HOP平台基本上由一个实时操作系统和一个微GUI窗口系统组成。一旦安装运行以后，用户可以根据自己的实际需要选择一系列的附加功能模块。整个HOP的运行可以看作为一个微内核101通过软件总线102来协调管理一组相互合作的进程。整个结构的运行就像一个软件总线，各类操作系统模块可以动态的插入和提出。
对HOP中的主要构成部分，简要说明如下：1、OP实时微内核
图1中的HOP微内核101很小，它主要执行过程间通信的消息传递和由于状态变化或中断引起的过程调度问题。其结构非常简单，如图2所示，主要功能如下：
1、过程间通信(Interprocess Communication，IPC)：可以采用三种形式，即消息、授权和信号。
消息：合作的过程之间进行同步通信的基本方式。此时，发出消息的过程要求接收过程对消息要回执甚至回答。
授权：一种特别的消息，适于发出过程不需要与接收方交往的情况。 信号：传统的IPC方式，用来支持过程间的异步通信。
2、低层网络通信：主要负责向位于其他节点上的过程传递消息。
3、过程调度员：负责决定哪一个正在等待执行的过程得到CPU。HOP提供三种调度方式，即：先入先出(FIFO)法，Round-Robin法，和自适应方法。其中前二种方法是标准方法，而第三种方法可以保证计算量大的过程得到充分的CPU时间，同时对其他计算量小的过程作出快速反应。对于不同的应用，用户可以选择不同的算法，在用户不指定算法的情况下，HOP采用自适应方法。另外，调度员采用三层优先权排队结构，用户可以自己指定优先权。4、第一层的中断处理：这是对Linux系统的最主要修改。所有的硬件中断和错误都先发送到一个中断重导器，经处理后再发给相关的驱动器或某系统管理程序。
图1中的HOP的主要系统过程，除了内核本身所支持的过程服务外，其它的操作系统服务都作为标准的过程来处理。HOP提供下列系统过程：
1、过程管理程序：其责任是产生新的过程并管理与过程相关的基本资源。过程的产生和资源的管理都是通过消息的传送来实现的。
2、文件系统管理程序：其责任是处理有关打开、关闭和读写文件要求，以方便存取硬盘和其他系统上的数据。标准文件类型包括一般文件、目录、负荷指针、管道和FIFO等。根据不同的命名空间的存储介质，HOP还提供了DOS文件系统管理程序和CD-ROM、NSF以及Flash文件管理程序等。
3、设备管理程序：其责任是管理控制应用过程和设备之间的数据流。其中与硬件设备的联系是由各硬件的驱动器来完成，设备管理程序只完成与驱动器界面之间的数据传收。对多数硬件设备，其驱动器与驱动器界面之间的数据交换必须通过共享内存来完成。
4、网络管理程序：其责任是将消息沿局域网传到其它节点或远程系统上。网络管理程序通过特设的内存区直接与HOP内核和过程管理通信，从而使消息的传输可靠有效。HOP可以不通过网络管理程序进行局域网通讯，但它的设置可以提高整个HOP的性能。
除上述过程之外，用户可以加上自己特设的专门过程。对HOP而言，这些用户专门过程与标准系统过程没有任何实际的区别。这一机制使得HOP具有十分强大的可扩展性，可以从一个很小的几个过程的操作系统转化为管理控制几百个客户的功能齐全的操作系统。这为家庭综合服务器的个性化打下了基础。
HOP中的微GUI窗口系统为完成各类应用提供了图形窗口界面。由于多数内嵌应用受内存的限制，微GUI窗口系统采用了与微内核相同的结构，即采用一个很小的图形内核(约50K)来实现最基本的功能，再由这些功能利用消息传输来控制协调一组图形窗口过程，达到实现复杂图形窗口的功能。这样一来，只有相关的图形过程才会在需要时出现在一个应用中，从而不需要同时启动巨大的图形过程库的所有过程，因此节省了内存。微GUI窗口提供各类图形驱动器、窗口管理程序、可变字体、支持动画打印和Unicode多种语言。此外，微GUI系统还提供图形标题库。
目前有多种修改常规Linux内核使其成为实时操作系统的方法。但这些方法的共同之处是修改后的系统成为完全的实时系统，进而失去了常规Linux操作系统的许多方便之处，如完全自主的用户环境等。在HOP中，通过引入任务排队以下三层反馈结构，AoS排队即保证安全性的排队，QoS排队即保证传输质量的排队和普通排队，保留原常规Linux的完全自主的用户环境，同时拥有实时系统的可靠性和实时性。
例如，在同一时刻，HOP收到了三个请求(Request)，分别为：报警器发来的火警(AoS)、空调发来的当前室温信息(QoS)和一个远端用户发来的文件传输信息(ftp)。这时，由三层反馈结构，火警最为紧急，必须保证安全性(assurance)，属于AoS对列，优先处理。空调发来的当前室温信息需要一定的质量保证，属于QoS队列。在HOP处理完火警，处理这个消息，而文件传输信息属于普通的请求，最后处理。这样既保证了面向HOP领域的可靠性和实时性，又保留常规Linux的特性。
在出现属于不同性质的请求时，优先处理AoS排队，其次处理QoS排队，最后处理普通排队。同时，通过引入实时动态负荷(Realtime Dynamic Loading)，不但有效地实现了对基于移动代理技术的集散控制的支持，而且大大地减少了对内存的要求，更重要的是为今后开发低成本的智能家电专用芯片打下基础。实时动态负荷是指如果没有负荷到来，系统内只包括最基本的构件。当有负荷到来时，HOP收到相应的请求(Request)，并且从请求中识别出相应的信息，然后将对应的代码加载到系统中。当负荷消失后，HOP将与负荷相关的代码卸载出系统。这样大大地减少了对内存的要求。
本发明的HOP支持Java程序语言，因此可直接使用开放系统的Java APSs和JAR(Java archive)文件。因为OSGi体系中的装置联接(Device Access)和服务门户(Service Gateway)API都是通过Java和JAR文件来约定的，因此HOP百分之百符合OSGi的规范体系。从而实现HOP要求的开放性、可扩展性和配置可裁减性。
由于在HOP内核只包括很少的核心服务，如多进程，条件变量，消息传递，标志信号和调度，所占内存很小，也从根本上排除了产生内核错误的可能性。根据应用要求，其空间可以缩小至50--100K。通过动态加入服务进程，比如文件系统、网络和装置驱动器，HOP的内核可以动态地进行扩展，从而实现系统的模块化，其空间大小可方便地调整，从而为实现专用特制的实时操作系统打下了基础。
在HOP中，每个工作进程都是在自己保护下的内存中运行，所以HOP从本质上是安全可靠的。即使应用软件的驱动器等关键程序部分中出现了问题，基于HOP的系统仍然可以在不重新启动的情况下恢复系统。
HOP提供一个完全内嵌和自选型的图形开发环境，从而可以将专用高质量的图形界面放在很小的内存受限的装置上。HOP的图形窗口环境占很小的内存，其结构为模块化设计，因此可以随时扩展，加入各类多媒体、因特网等模块。同时，HOP支持整个TCP/IP体系，包括PPP、DHCP、NFS、RPC和SNMP，因此可以支持在各类不同网络上开发和应用各类与因特网有关的服务。
HOP与Linux共享POSIX APIs，几乎任何Linux开发工具都可以直接移植到HOP上使用。由于Linux代码公开并拥有大量的开发人员，因此HOP的可利用资源十分丰富，开发环境十分强大。
Claims (10)
1、一种实时家庭操作系统，其特征在于，由实时操作系统和微GUI窗口系统组合而成，所述微GUI窗口系统包括一个完全内嵌和自选型的模块化的图形开发环境，还包括一个微内核以及由其通过软件总线进行协调管理的一组相互合作的进程，还包括其处理优先级自高而低排列的三个请求队列，安全保证排队、质量保证排队和普通排队，在所述常规操作系统的内核与硬件中断之间嵌入有中断重导器，所述中断重导器收到普通中断信号时，对一个标志位进行设置而不立即执行中断任务；当中断重导器收到实时中断信号时，则根据实时任务调度算法进行调度，经处理后发给相关的驱动器或某系统管理程序模块，执行中断任务；只有当中断重导器将中断打开后，那些设置了标志位的普通中断才能得以继续执行。
2、根据权利要求1所述实时家庭操作系统，其特征在于，所述中断重导器通过抽象层(HAL)实现对硬件的控制。
3、根据权利要求1所述实时家庭操作系统，其特征在于，所述微内核包括多进程、条件变量、消息传递、标志信号和调度程序的内核程序，
4、根据权利要求1-3任何一项所述实时家庭操作系统，其特征在于，所述操作系统是基于Linux操作系统实现的，并支持POSIX APIs。
5、根据权利要求1-3任何一项所述实时家庭操作系统，其特征在于，包括采用实时动态负荷控制策略，在没有负荷到来，系统内只包括最基本构件，当有负荷到来时，收到相应请求并从请求中识别出相应信息后，才将对应代码加载到系统中，当负荷消失后，将与负荷相关的代码卸载出系统。
6、根据权利要求1-3任何一项所述实时家庭操作系统，其特征在于，包括以下功能层：1)低层网络通信：用于向位于其他节点上的过程传递消息；2)过程调度员：用于决定哪一个正在等待执行的过程得到CPU；还包括可支持整个TCP/IP体系的各个功能并可动态插入和退出的以下模块，PPP、DHCP、NFS、RPC和SNMP。
7、一种实时家庭操作系统的实现方法，其特征在于，一种实时家庭操作系统，其特征在于，将实时操作系统和微GUI窗口系统进行组合，设置三个队列分别处理优先级自高而低排列的三个请求队列：安全保证排队、质量保证排队和普通排队；在所述常规操作系统的内核与硬件中断之间嵌入一个中断重导器，使得在所述中断重导器收到普通中断信号时，对一个标志位进行设置而不立即执行中断任务；当中断重导器收到实时中断信号时，则根据实时任务调度算法进行调度，经处理后发给相关的驱动器或某系统管理程序模块，执行中断任务；只有当中断重导器将中断打开后，那些设置了标志位的普通中断才能得以继续执行。
8、根据权利要求7所述方法，其特征在于，设置所述内核程序处理各个过程间的通信采用三种形式，即消息、授权和信号，其中，消息是合作的过程之间进行同步通信的基本方式，此时，发出消息的过程要求接收过程对消息要回执甚至回答；授权，一种特别的消息，适于发出过程不需要与接收方交往的情况；信号，是传统的IPC方式，用来支持过程间的异步通信。
9、根据权利要求7所述方法，其特征在于，设置以下标准过程：1)过程管理程序过程，用于产生新的过程并管理与过程相关的基本资源，其中，过程的产生和资源的管理都是通过消息的传送来实现的；2)文件系统管理程序过程，用于处理有关打开、关闭和读写文件要求，以方便存取硬盘和其他系统上的数据，标准文件类型包括一般文件、目录、负荷指针、管道和FIFO等，根据不同的命名空间的存储介质；DOS文件系统管理程序和CD-ROM、NSF以及Flash文件管理程序；3)设备管理程序过程：用于管理控制应用过程和设备之间的数据流，其中与硬件设备的联系是由各硬件的驱动器来完成，设备管理程序只完成与驱动器界面之间的数据传收，对多数硬件设备，其驱动器与驱动器界面之间的数据交换必须通过共享内存来完成；4)网络管理程序过程，用于将消息沿局域网传到其它节点或远程系统上。网络管理程序通过特设的内存区直接与HOP内核和过程管理通信，从而使消息的传输可靠有效。
10、根据权利要求7-9任何一项所述方法，其特征在于，采用以下实时动态负荷控制策略，在没有负荷到来，系统内只包括最基本构件，当有负荷到来时，收到相应请求并从请求中识别出相应信息后，才将对应代码加载到系统中，当负荷消失后，将与负荷相关的代码卸载出系统。
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| CN1133121C (zh) | 2003-12-31 |
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