淺談嵌入式實(shí)時(shí)操作系統設計

　　在傳統的嵌入式實(shí)時(shí)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(wú)限制的訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)系統地址空間。因此在某些情況下，應用的潛在危險動(dòng)作會(huì )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。

　　為了滿(mǎn)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(航空電子應用軟件標準接口)，并于2003年7月發(fā)布ARINC653 Supplement 1，對區間管理、區間通信及健康監測部分進(jìn)行了補充說(shuō)明，用以規范航空電子設備和系統的開(kāi)發(fā)。

　　隨即，國外各大嵌入式開(kāi)發(fā)商相繼推出此類(lèi)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(lǐng)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(shí)時(shí)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(shí)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(xiàn)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(wù)的行為，并描述了嵌入式航空電子軟件的運行時(shí)環(huán)境。

　　ARINC653 Supplement 1對ARINC653的補充主要包括以下幾點(diǎn):在系統結構上，提出了System Partition的概念，明確區間上的應用調度應該是區間級別的，這些應用共享區間資源;區間管理方面，闡述區間調度中主時(shí)間框架的定義原則，并補充了區間模式的變遷過(guò)程;對區間間通信的原則進(jìn)行更為詳盡的說(shuō)明;增加關(guān)于健康監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(lèi):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(gè)功能集合。利用這個(gè)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(yǔ)言。而對于OS來(lái)說(shuō)，是關(guān)于參數和入口機制的定義。

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　　圖1給出了ARINC653中各部分之間的關(guān)系。

　　分區和區間管理

　　分區(Partitioning)是ARINC653中一個(gè)核心概念。在IMA(Integrated Modular Avionics)系統中，一個(gè)核心模塊會(huì )包含一個(gè)或多個(gè)航空電子應用，并且這些應用要能夠獨立運行。分區就是航空電子應用中的一個(gè)功能劃分。分區的單位稱(chēng)為區間，區間內的每一個(gè)執行單元稱(chēng)為進(jìn)程。每一個(gè)區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(gè)區間的錯誤影響到其他區間。另外，它能使得整個(gè)系統容易驗證、確認和認證。

　　區間化以及區間的管理和調度是由OS來(lái)實(shí)現的。ARINC653為區間的調度規定了一種基于時(shí)間窗的循環(huán)調度算法。這種調度算法的原理如圖2所示。

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　　圖2 基于時(shí)間窗的循環(huán)調度算法原理

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

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

　　在A(yíng)RINC653 Supplement 1發(fā)布時(shí)又增加了系統區間屬性和啟動(dòng)條件屬性。區間的工作模式包括空閑，冷啟動(dòng)，熱啟動(dòng)和正常四種，如圖3所示。每個(gè)區間所需資源在系統構建時(shí)指定，在區間初始化完成時(shí)區間對象創(chuàng )建。OS在進(jìn)入運行模式時(shí)啟動(dòng)應用區間，然后區間進(jìn)入正常運行模式。監測管理功能在響應致命錯誤時(shí)將重啟區間或者停止區間的運行。

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　　圖3 區間狀態(tài)轉化模型

　　A-RTOS系統設計與實(shí)現

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

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　　圖4 A-RTOS的系統結構

　　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(diǎn)之一。A-RTOS主要采用兩種方式來(lái)實(shí)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(guò)MMU能夠實(shí)現邏輯地址到物理地址的轉化，并且對訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)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(wú)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(yè)目錄/頁(yè)表方式的地址轉換流程。

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　　圖5 頁(yè)目錄/頁(yè)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(shí)現對內核及應用之間的保護，提供了兩種運行形態(tài):用戶(hù)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(hù)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(guò)TRAP系統調用方式來(lái)進(jìn)行。

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

　　每種支持保護模式的系統都提供了專(zhuān)門(mén)的軟中斷命令來(lái)完成從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入系統態(tài)的功能。系統掛接一個(gè)軟中斷處理函數，所有的系統調用都通過(guò)這個(gè)軟中斷進(jìn)入并以不同的參數值(即系統調用號)來(lái)加以區分。