嵌入式實時操作系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用解析

在傳統(tǒng)的嵌入式實時操作系統(tǒng)中，內(nèi)核和應(yīng)用都運行在同一特權(quán)級，應(yīng)用程序可以無限制的訪問整個系統(tǒng)地址空間。因此在某些情況下，應(yīng)用的潛在危險動作會影響其他應(yīng)用和內(nèi)核的正常運行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或者誤操作。
　　為了滿足航空電子對高可靠性、高可用性以及高服務(wù)性的要求， 1997年1月ARINC發(fā)布了ARINC653（航空電子應(yīng)用軟件標準接口），并于2003年7月發(fā)布ARINC653 Supplement 1，對區(qū)間管理、區(qū)間通信及健康監(jiān)測部分進行了補充說明，用以規(guī)范航空電子設(shè)備和系統(tǒng)的開發(fā)。
　　隨即，國外各大嵌入式開發(fā)商相繼推出此類支持ARINC653，具有內(nèi)核和應(yīng)用保護機制的操作系統(tǒng)。但在國內(nèi)的嵌入式領(lǐng)域，這樣的研究還有一定差距。基于此，本文提出了一種航空電子嵌入式實時操作系統(tǒng)（A-RTOS，Avionics RTOS）的一種設(shè)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(xiàn)。
　　航空電子標準ARINC653
　　ARINC653主要闡述了模塊化綜合航空電子設(shè)備IMA（Integrated Modular Avionics）使用的應(yīng)用軟件的基線操作環(huán)境。它定義了航空應(yīng)用與下層操作環(huán)境之間的接口和數(shù)據(jù)交換的模式以及服務(wù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)上，提出了System Partition的概念，明確區(qū)間上的應(yīng)用調(diào)度應(yīng)該是區(qū)間級別的，這些應(yīng)用共享區(qū)間資源;區(qū)間管理方面，闡述區(qū)間調(diào)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(guān)于健康監(jiān)測的錯誤級別和錯誤處理的解釋。
　　軟件構(gòu)成
　　航空電子中的核心模塊軟件包括兩類：應(yīng)用軟件和核心軟件。位于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)OS之間的APEX（APplication EXecutive）接口，定義了系統(tǒng)為應(yīng)用軟件提供的一個功能集合。利用這個功能集合，應(yīng)用軟件可以控制系統(tǒng)的調(diào)度，通信和內(nèi)部狀態(tài)信息。APEX接口相當于為應(yīng)用提供的一種高層語言。而對于OS來說，是關(guān)于參數(shù)和入口機制的定義。
　　圖1給出了ARINC653中各部分之間的關(guān)系。
　　
　　圖1 核心模塊軟件結(jié)構(gòu)
　　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(tǒng)中，一個核心模塊會包含一個或多個航空電子應(yīng)用，并且這些應(yīng)用要能夠獨立運行。分區(qū)就是航空電子應(yīng)用中的一個功能劃分。分區(qū)的單位稱為區(qū)間，區(qū)間內(nèi)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(shù)據(jù)、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(tǒng)容易驗證、確認和認證。
　　區(qū)間化以及區(qū)間的管理和調(diào)度是由OS來實現(xiàn)的。ARINC653為區(qū)間的調(diào)度規(guī)定了一種基于時間窗的循環(huán)調(diào)度算法。這種調(diào)度算法的原理如圖2所示。
　　
　　圖2 基于時間窗的循環(huán)調(diào)度算法原理
　　為了完成各區(qū)間的周期性調(diào)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(nèi)周期性的重復(fù)。每個時間框架可以劃分為若干個時間窗口。系統(tǒng)利用一個事先確定的配置表，在規(guī)定的時間窗口內(nèi)激活對應(yīng)區(qū)間的運行。這樣就能夠保證每個應(yīng)用在分配給它的時間周期內(nèi)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(yīng)該是核心模塊中所有區(qū)間周期的最小公倍數(shù)的正整數(shù)倍，并應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)構(gòu)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(yīng)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(yīng)致命錯誤時將重啟區(qū)間或者停止區(qū)間的運行。