深度剖析航空電子嵌入式實時操作系統設計思路

在傳統的嵌入式實時操作系統中，內核和應用都運行在同一特權級，應用程序可以無限制的訪問整個系統地址空間。因此在某些情況下，應用的潛在危險動作會影響其他應用和內核的正常運行，甚至導致系統崩潰或者誤操作。國外各大嵌入式開發(fā)商相繼推出此類支持ARINC653，具有內核和應用保護機制的操作系統。但在國內的嵌入式領域，這樣的研究還有一定差距?；诖?，本文提出了一種航空電子嵌入式實時操作系統(A-RTOS，Avionics RTOS)的一種設計思路，并在具有MMU和支持高級保護模式的目標板上完成了實現。

航空電子標準ARINC653

ARINC653主要闡述了模塊化綜合航空電子設備IMA(Integrated Modular Avionics)使用的應用軟件的基線操作環(huán)境。它定義了航空應用與下層操作環(huán)境之間的接口和數據交換的模式以及服務的行為，并描述了嵌入式航空電子軟件的運行時環(huán)境

ARINC653 Supplement 1對ARINC653的補充主要包括以下幾點:在系統結構上，提出了System Partition的概念，明確區(qū)間上的應用調度應該是區(qū)間級別的，這些應用共享區(qū)間資源;區(qū)間管理方面，闡述區(qū)間調度中主時間框架的定義原則，并補充了區(qū)間模式的變遷過程;對區(qū)間間通信的原則進行更為詳盡的說明;增加關于健康監(jiān)測的錯誤級別和錯誤處理的解釋。

軟件構成

航空電子中的核心模塊軟件包括兩類:應用軟件和核心軟件。位于應用軟件和操作系統OS之間的APEX(APplication EXecutive)接口，定義了系統為應用軟件提供的一個功能集合。利用這個功能集合，應用軟件可以控制系統的調度，通信和內部狀態(tài)信息。APEX接口相當于為應用提供的一種高層語言。而對于OS來說，是關于參數和入口機制的定義。

圖1給出了ARINC653中各部分之間的關系

分區(qū)和區(qū)間管理

分區(qū)(Partitioning)是ARINC653中一個核心概念。在IMA(Integrated Modular Avionics)系統中，一個核心模塊會包含一個或多個航空電子應用，并且這些應用要能夠獨立運行。分區(qū)就是航空電子應用中的一個功能劃分。分區(qū)的單位稱為區(qū)間，區(qū)間內的每一個執(zhí)行單元稱為進程。每一個區(qū)間具有自己獨立的數據、上下文和運行環(huán)境，這樣做的好處是能夠防止一個區(qū)間的錯誤影響到其他區(qū)間。另外，它能使得整個系統容易驗證、確認和認證。

區(qū)間化以及區(qū)間的管理和調度是由OS來實現的。ARINC653為區(qū)間的調度規(guī)定了一種基于時間窗的循環(huán)調度算法。這種調度算法的原理如圖2所示。

為了完成各區(qū)間的周期性調度，由OS維護一個固定時間長度的主時間框架，該時間框架在模塊的運行期內周期性的重復。每個時間框架可以劃分為若干個時間窗口。系統利用一個事先確定的配置表,在規(guī)定的時間窗口內激活對應區(qū)間的運行。這樣就能夠保證每個應用在分配給它的時間周期內訪問公共資源不被打斷。

ARINC supplement 1對主時間框架的時間定義原則進行了補充。它規(guī)定主時間框架的大小應該是核心模塊中所有區(qū)間周期的最小公倍數的正整數倍，并應考慮到每個區(qū)間每次執(zhí)行的時間長度和執(zhí)行頻率。

在ARINC653 Supplement 1發(fā)布時又增加了系統區(qū)間屬性和啟動條件屬性。區(qū)間的工作模式包括空閑，冷啟動，熱啟動和正常四種，如圖3所示。每個區(qū)間所需資源在系統構建時指定，在區(qū)間初始化完成時區(qū)間對象創(chuàng)建。OS在進入運行模式時啟動應用區(qū)間，然后區(qū)間進入正常運行模式。監(jiān)測管理功能在響應致命錯誤時將重啟區(qū)間或者停止區(qū)間的運行。

A-RTOS系統設計與實現

A-RTOS的系統結構如圖4所示。在此系統中，各個應用工作在所屬區(qū)間的環(huán)境中,并且應用和內核及各個應用之間都被保護墻隔離，無法相互破壞，從而保證了核心模塊的可靠性。

隔離和保護機制

隔離和保護是ARINC653首要強調的特性，也是必須解決的重點之一。A-RTOS主要采用兩種方式來實現應用與內核以及應用之間的隔離和保護。

第一種方式是使用內存管理單元MMU。通過MMU能夠實現邏輯地址到物理地址的轉化，并且對訪問權限進行控制。這樣可以保護操作系統內核不受應用軟件有意或無意的破壞，也有效的防止了各應用軟件之間的相互破壞。圖5給出了MMU的頁目錄/頁表方式的地址轉換流程。

第二種方式就是系統調用。A-RTOS為了實現對內核及應用之間的保護，提供了兩種運行形態(tài):用戶態(tài)和系統態(tài)。其中操作系統內核是運行在系統態(tài)的。因此用戶態(tài)的應用是不能夠直接調用系統內核提供的功能接口的，必須通過TRAP系統調用方式來進行。

此種方式下，當用戶態(tài)的應用需要調用內核提供的系統調用時，首先要執(zhí)行一組特殊的指令使系統進入系統態(tài)以便執(zhí)行需要的系統調用，當調用完成后，內核將執(zhí)行另一組特征指令將系統返回到用戶態(tài)。

每種支持保護模式的系統都提供了專門的軟中斷命令來完成從用戶態(tài)進入系統態(tài)的功能。系統掛接一個軟中斷處理函數，所有的系統調用都通過這個軟中斷進入并以不同的參數值(即系統調用號)來加以區(qū)分。

系統調用的另一種形式是稱為CALL-LIB的調用庫機制。此種機制類似于windows系統的動態(tài)鏈接庫，可以滿足動態(tài)加載和更新組件的需要，也是A-RTOS的特點之一。

區(qū)間調度機制

ARINC653規(guī)定，區(qū)間調度模式的主要特征是:1)調度單元是區(qū)間;2)區(qū)間沒有優(yōu)先級;3)調度算法是預先確定的,按照固定的周期重復,并且只能由系統集成者進行配置。每個循環(huán)中，至少要為區(qū)間分配一個區(qū)間窗口。

在A-RTOS中，為了方便系統處理和能更好符合ARINC653規(guī)范，對以上規(guī)定進行了一定程度的修訂:調度單元是區(qū)間和系統進程;區(qū)間具有優(yōu)先級。但這些修訂不影響操作系統區(qū)間層POS以及應用程序使用者，所以在外部特性上并不與ARINC653規(guī)定違背。

除此之外， A-RTOS還引入兩個系統區(qū)間:Kernel區(qū)間和Idle區(qū)間。Kernel區(qū)間優(yōu)先級最高，用于為整個系統的運行提供支持;并且一些系統級進程，也屬于Kernel區(qū)間，方便調度。Idle區(qū)間具有最低的優(yōu)先級，用于填充系統時間。當系統中沒有其他區(qū)間可以運行，就運行Idle區(qū)間。

A-RTOS區(qū)間的調度原則是首先基于優(yōu)先級調度，對同一優(yōu)先級的區(qū)間可使用時間片輪轉調度或者基于時間窗的循環(huán)調度策略。

A-RTOS采用兩級調度機制。系統中具有區(qū)間的優(yōu)先級位圖和每個優(yōu)先級對應的就緒鏈表，每個區(qū)間中也包含系統進程的優(yōu)先級位圖和對應的就緒鏈表。利用優(yōu)先級位圖和就緒鏈表，可以很容易的實現對區(qū)間和系統進程的調度。圖6給出了這種調度模型。

調度模塊首先根據系統中的區(qū)間優(yōu)先級位圖和區(qū)間就緒鏈表來進行區(qū)間調度，被調度到的區(qū)間再根據區(qū)間內的進程優(yōu)先級位圖和進程就緒鏈表進行系統進程的調度。此方法相對于一級調度方式而言，能夠保證調度時間的確定性，系統調度時間不會因為區(qū)間和系統進程的多少而發(fā)生變化，符合實時操作系統的定義。

在進行基于時間窗調度時，兩個系統區(qū)間實際上也會參與調度。Kernel區(qū)間的運行時間會計算在區(qū)間調度配置表中當前區(qū)間的運行時間上。因此對于某應用區(qū)間而言，它的運行時間實際上會包含系統區(qū)間的運行。

進程池機制

在A-RTOS中，進程池是指一組由系統進行維護的進程，這些進程能夠為應用提供一組服務。應用通過系統提供的調用接口對系統提出應用請求，系統把應用的請求交給進程池，進程池自動選擇一個空閑進程對其進行服務，當服務完畢以后，系統會回收該系統進程。

進程池主要應用在時鐘定時器服務、中斷服務和異步IO操作。

異步信號和異步IO機制

A-RTOS支持異步信號機制，允許在某種情況下COS以異步方式發(fā)送信號到上層的POS。異步信號的一個典型使用就是異步IO。這是由于在ARINC653的應用中,POS中的進程通過系統調用產生阻塞性IO請求的時候,如果IO不是異步的,則此時該進程就會阻塞,等待系統調用的返回。但是COS并不知道POS中的應用進程的存在,當其中的一個進程阻塞的時候,整個區(qū)間都會被阻塞。采用異步IO方式可避免這種情況的發(fā)生。

圖7 異步IO工作流程示意圖

當應用請求了阻塞性的IO服務時，A-RTOS會啟動稱為一個系統進程來進行應用請求的IO操作，這就是異步IO機制。A-RTOS將這種為實現異步IO操作而創(chuàng)建的系統進程稱為worker進程。

如圖7，在ARINC653的應用中，當POS中的一個進程調用異步IO系統調用時,該系統調用檢查此IO是否為阻塞工作方式,如果是，則創(chuàng)建一個worker進程去完成這個要求的IO工作，并返回一個AIO_PENDING值到POS。POS檢查到這個返回值以后,把正在進行異步IO調用的進程從就緒隊列取下放到等待隊列,然后進行重調度。當worker進程完成了要求的IO操作時，即發(fā)送異步信號到POS，從而喚醒原阻塞進程。