嵌入式實(shí)裝軟件虛擬運(yùn)行環(huán)境研究

王源源，賀紅衛(wèi)，劉 冰，宋光照

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院706所，北京100854；2.中國(guó)兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，北京100089）

0 引 言

大型軟件系統(tǒng)的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，現(xiàn)有大量大型系統(tǒng)軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，許多工作的開(kāi)展依賴于特定硬件，給開(kāi)發(fā)和調(diào)試帶來(lái)諸多不便。因此在通用平臺(tái)上構(gòu)建嵌入式軟件虛擬運(yùn)行環(huán)境的重要性不言而喻，在通用平臺(tái)上開(kāi)發(fā)調(diào)試嵌入式實(shí)裝軟件能充分地利用通用計(jì)算機(jī)的高配置、優(yōu)秀的人機(jī)界面及開(kāi)發(fā)編程資源，有效的使嵌入式實(shí)裝軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程脫離特定的硬件。現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)工具如VxSim 必須與Tornado環(huán)境配合使用且不開(kāi)源，擴(kuò)展性和安全性無(wú)法保障。該論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種虛擬運(yùn)行環(huán)境，該環(huán)境使嵌入式實(shí)裝軟件能脫離對(duì)特定硬件的依賴運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)上，因此開(kāi)發(fā)人員可在通用計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)裝軟件、搭建各子系統(tǒng)軟件的聯(lián)合調(diào)試環(huán)境，能夠提高開(kāi)發(fā)效率，縮短裝備系統(tǒng)的軟件研發(fā)周期。另外，該虛擬運(yùn)行環(huán)境支持在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上配置運(yùn)行多個(gè)實(shí)裝軟件，減少了聯(lián)合調(diào)試需要的計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)數(shù)。

1 Win32平臺(tái)＋RTX簡(jiǎn)介

Windows是一個(gè)通用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它以優(yōu)秀的體系結(jié)構(gòu)，廣泛的硬件支持，豐富的應(yīng)用程序接口以及人性化的圖形界面占據(jù)著通用操作系統(tǒng)的大部分市場(chǎng)。但是在需要硬實(shí)時(shí)特性的領(lǐng)域，如醫(yī)療、通信、航空航天等，Windows不能滿足要求。RTX 是美國(guó)的Ardence（已被IntervalZero收購(gòu)）公司為了使Windows操作系統(tǒng)能滿足硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求而在Windows上做的擴(kuò)展，其原理是在Windows平臺(tái)上提供一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)［1］。

通過(guò)實(shí)際的測(cè)評(píng)，Windows＋RTX 能滿足硬實(shí)時(shí)性，其實(shí)時(shí)性接近于VxWorks操作系統(tǒng)。原因如下［2］：

（1）RTX 為Windows添加了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS，如圖1 所示。RTSS 類似于Windows 的其它子系統(tǒng) （如Win32，DOS），RTSS有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境和API，有自己的線程調(diào)度器，采用搶占式調(diào)度策略。并且，當(dāng)一個(gè)RTSS線程運(yùn)行時(shí)，所有Windows管理的中斷會(huì)被屏蔽掉，包括延遲過(guò)程調(diào)用。

（2）RTX 含有一個(gè)定制的實(shí)時(shí)擴(kuò)展硬件抽象層（HAL）。這個(gè)擴(kuò)展通過(guò)控制處理器級(jí)的中斷來(lái)避免Windows屏蔽RTSS管理的中斷。該實(shí)時(shí)擴(kuò)展還支持著RTSS環(huán)境的定時(shí)器以及高精度時(shí)鐘。

圖1 RTX 整體結(jié)構(gòu)

2 虛擬運(yùn)行環(huán)境構(gòu)建方案

根據(jù)以上分析及大量裝備系統(tǒng)嵌入式實(shí)裝軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)研發(fā)這個(gè)事實(shí)，本文針對(duì)VxWorks 5.5嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在安裝有RTX 擴(kuò)展的Windows XP環(huán)境下構(gòu)建嵌入式實(shí)裝軟件的虛擬運(yùn)行環(huán)境。

2.1 總體框架

VxWorks操作系統(tǒng)功能強(qiáng)大，其軟件平臺(tái)具備組件式結(jié)構(gòu)［3］，包括核心內(nèi)核功能和依賴內(nèi)核的外圍功能，這些組件的功能以各種功能庫(kù)的集合提供給應(yīng)用程序，其庫(kù)由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、短小的目標(biāo)模塊組成［4，5］，我們只關(guān)注在實(shí)裝軟件中用到的基本組件，包括內(nèi)核、I／O 系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信。內(nèi)核提供的功能按照功能庫(kù)可分為任務(wù)管理模塊、信號(hào)量模塊、消息隊(duì)列模塊、時(shí)鐘管理模塊等。虛擬運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建即實(shí)現(xiàn)上述各功能模塊的庫(kù)函數(shù)接口。虛擬運(yùn)行環(huán)境的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬運(yùn)行環(huán)境總體框

2.2 內(nèi)核組件的虛擬

由前面的分析可知，在RTSS環(huán)境中RTX 提供的函數(shù)為實(shí)時(shí)函數(shù)，因此內(nèi)核的虛擬我們只需關(guān)注如何利用RTX提供的實(shí)時(shí)函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)VxWorks 5.5內(nèi)核提供的庫(kù)函數(shù)接口。下面以圖2中內(nèi)核組件中的任務(wù)管理、信號(hào)量好消息隊(duì)列為例分析內(nèi)核的虛擬實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 任務(wù)管理

任務(wù)的定義請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn) ［6］。VxWorks 5.5 內(nèi)核的任務(wù)管理通過(guò)taskSpawn等函數(shù)提供了任務(wù)創(chuàng)建、刪除和控制任務(wù)等功能。

RTX 提供了大量線程管理的實(shí)時(shí)函數(shù)接口，與Vx－Works 5.5任務(wù)管理函數(shù)的部分接口對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩平臺(tái)任務(wù)／線程接口函數(shù)對(duì)比

從表1中可以看出，RTX 提供了許多與VxWorks 5.5的任務(wù)管理函數(shù)類似的線程管理函數(shù)，但這些函數(shù)間又存在區(qū)別，下面是對(duì)這些區(qū)別及其解決方法的分析。

首先是參數(shù)的區(qū)別，包括參數(shù)的類型、個(gè)數(shù)和返回值。其次是部分RTX 線程函數(shù)接口提供的功能并不完全與Vx－Works 5.5相應(yīng)的函數(shù)相同，如taskspawn函數(shù)的功能包括創(chuàng)建任務(wù)、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)在創(chuàng)建后立即開(kāi)始執(zhí)行，而RtCreateThread提供的功能是創(chuàng)建線程，沒(méi)有提供設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)的功能。另外，兩者任務(wù)支持的優(yōu)先級(jí)數(shù)存在差異，VxWorks共256 個(gè)優(yōu)先級(jí)，編號(hào)從0 到255，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高，而RTX 支持的優(yōu)先級(jí)數(shù)值為0 到127，數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越高。前兩個(gè)問(wèn)題可利用RTX 提供的豐富的庫(kù)函數(shù)編碼實(shí)現(xiàn)，最后一個(gè)問(wèn)題利用轉(zhuǎn)換算法將Vx－Works的優(yōu)先級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換為RTSS下的優(yōu)先級(jí)數(shù)即可。

2.2.2 信號(hào)量

VxWorks信號(hào)量用于解決任務(wù)間的互斥和同步，是一種快速的任務(wù)間通信機(jī)制。VxWorks主要提供了二進(jìn)制信號(hào)量、互斥信號(hào)量以及計(jì)數(shù)信號(hào)量共3種信號(hào)量。提供的信號(hào)量管理函數(shù)請(qǐng)參考文獻(xiàn) ［7，8］。

信號(hào)量的虛擬比較簡(jiǎn)單，使用RTX 下的RtCreateMutex模擬創(chuàng)建互斥信號(hào)量，使用RtCreateSemaphore函數(shù)模擬創(chuàng)建二值信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量，其中二值信號(hào)量的模擬需限定級(jí)數(shù)量最大值為1。將創(chuàng)建信號(hào)量函數(shù)返回的句柄存入哈希數(shù)組semMap數(shù)組中，semTake和semGive函數(shù)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)其傳入?yún)?shù)semID，在semMap中找到相應(yīng)的句柄， 調(diào) 用 RtWaitForSingleObject 和 ReleaseSemaphore函數(shù)。

2.2.3 消息隊(duì)列

Windows系統(tǒng)和RTX 提供文件映射、共享內(nèi)存、管道等進(jìn)程間通信方式，但不提供VxWorks的消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行進(jìn)程間通信，因此需要建立模型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列功能。VxWorks消息隊(duì)列管理共提供5個(gè)函數(shù)接口：

①msgQCreate：創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列

②msgQDelete：刪除消息隊(duì)列

③msgQSend：往消息隊(duì)列中發(fā)送消息

④msgQReceive：從消息隊(duì)列中接收消息

⑤msgQNumMsgs：獲取消息隊(duì)列中的消息數(shù)

（1）消息隊(duì)列的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用帶表頭節(jié)點(diǎn)的雙向循環(huán)鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列，示意圖如圖3所示。

圖3 消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)

queue＿t結(jié)構(gòu)屬于每個(gè)消息隊(duì)列的公有部分，包括如下數(shù)據(jù)：

Qin：寫(xiě)入位置指針，指向隊(duì)尾；Qout：讀取位置指針，指向隊(duì)列頭；length：隊(duì)列中已有的消息數(shù)；

maxMsgNum：隊(duì)列允許消息個(gè)數(shù)的最大值；msgLock：互斥鎖；ReceiveSem：接收信號(hào)量；SendSem：發(fā)送信號(hào)量。

鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

（2）接口實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)述

msgQCreate函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的消息隊(duì)列。主要完成3個(gè)任務(wù)：為雙向循環(huán)鏈表分配空間；初始化互斥鎖；初始化發(fā)送和接收信號(hào)量。msgQSend函數(shù)發(fā)送消息到消息隊(duì)列，即往鏈表中添加消息，根據(jù)其超時(shí)參數(shù)和優(yōu)先級(jí)參數(shù)來(lái)決定添加時(shí)的超時(shí)時(shí)間和添加的位置。msgQReceive函數(shù)從消息隊(duì)列中接收消息，即從鏈表中刪除相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，注意其超時(shí)參數(shù)。msgQDelete函數(shù)刪除鏈表中所有節(jié)點(diǎn)，刪除互斥鎖以及各信號(hào)量。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

2.3.1 設(shè)計(jì)思想及所用技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是虛擬運(yùn)行環(huán)境最重要的組成部分之一。它為在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)實(shí)裝軟件提供核心支持。該模塊實(shí)現(xiàn)了一套通信函數(shù)接口接管實(shí)裝軟件的套接字函數(shù)以控制實(shí)裝軟件的通信。將在本機(jī)運(yùn)行的實(shí)裝軟件的網(wǎng)絡(luò)地址等信息存儲(chǔ)在配置文件中，實(shí)裝軟件通信時(shí)通過(guò)配置文件中的信息來(lái)判斷該數(shù)據(jù)是否需要發(fā)送給其它機(jī)器，如果僅是發(fā)送給本機(jī)器其它實(shí)裝軟件的數(shù)據(jù)，則只需簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)實(shí)裝軟件的接收共享內(nèi)存中，否則才通過(guò)網(wǎng)口往外發(fā)送。

該模塊采用了配置文件驅(qū)動(dòng)技術(shù)。實(shí)裝軟件的名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、超時(shí)時(shí)間等信息均存儲(chǔ)在配置文件中。根據(jù)該配置文件來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的流向，將配置文件在中間件初始化時(shí)一次性讀入存入各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，提高了數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)的運(yùn)行效率。

采用了共享內(nèi)存技術(shù)，對(duì)配置表中的每個(gè)實(shí)裝軟件生成一個(gè)發(fā)送和接收共享內(nèi)存、并為這兩個(gè)共享內(nèi)存建立守護(hù)線程，借鑒了經(jīng)典內(nèi)存管理算法buddy算法［9，10］高效管理共享內(nèi)存。采用消息隊(duì)列和大結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信和數(shù)據(jù)共享，緩解通信壓力，提高通信可靠性。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)通信模塊的數(shù)據(jù)流如圖4所示。系統(tǒng)的所有通信數(shù)據(jù)都進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信模塊。由網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)分發(fā)或丟棄。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖5展示了實(shí)裝軟件通信模塊的設(shè)計(jì)圖。實(shí)裝軟件的套接字函數(shù)被網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)的通信函數(shù)接口替代。該設(shè)計(jì)定義了socket結(jié)構(gòu)體及其可以動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的sockArray數(shù)組，socket結(jié)構(gòu)體的成員包括與其綁定的IP 地址、子網(wǎng)、存儲(chǔ)隊(duì)列等。當(dāng)實(shí)裝軟件調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建套接字時(shí)，從sockArray數(shù)組中選擇一個(gè)socket對(duì)象并將其激活，將其地址加入到actQueHeeader鏈表中。

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊數(shù)據(jù)流

圖5 實(shí)裝軟件通信模塊設(shè)計(jì)

圖5中粗箭頭線表示的是數(shù)據(jù)流向。實(shí)裝軟件調(diào)用send或sendto函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到共享內(nèi)存，然后由守護(hù)線程發(fā)送到外機(jī)器或者本機(jī)器其它實(shí)裝軟件的接收共享內(nèi)存。調(diào)用recv或者recvfrom 函數(shù)從套接字的subQue中讀取需要的數(shù)據(jù)。下面簡(jiǎn)要分析下該設(shè)計(jì)中最重要的InVokeRecvMsg函數(shù)和SendThread、DisposeThread兩個(gè)守護(hù)線程。

中間件初始化時(shí)已經(jīng)將所有實(shí)裝軟件的重要信息從配置文件中讀入內(nèi)存，InVokeRecvMsg函數(shù)根據(jù)這些信息中的IP 地址和子網(wǎng)掩碼判斷應(yīng)該將數(shù)據(jù)發(fā)送給哪些實(shí)裝軟件。這其中必須考慮數(shù)據(jù)的通信類型是單播、組播還是廣播。單播只需要將數(shù)據(jù)返給對(duì)應(yīng)實(shí)裝軟件即可，若是組播，則需要根據(jù)組播地址將數(shù)據(jù)發(fā)給所有加入該組的實(shí)裝軟件，若是廣播，則根據(jù)子網(wǎng)掩碼將數(shù)據(jù)發(fā)給所有有該網(wǎng)段IP地址的實(shí)裝軟件。該函數(shù)設(shè)置了標(biāo)志以判斷是否需要將數(shù)據(jù)發(fā)給其它機(jī)器。

發(fā)送共享內(nèi)存的守護(hù)線程SendThread在共享內(nèi)存中有消息時(shí)調(diào)用InVokeRecvMsg函數(shù)判斷該消息的具體流向。DisposeThread線程是接收共享內(nèi)存的守護(hù)線程，該線程從共享內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)包，解析包頭找出目的地址和端口，遍歷激活的socket鏈表，找到與目的地址符合的socket，然后將該消息拷貝到符合條件的套接字的subQue中。

2.3.4 配置表說(shuō)明

單臺(tái)計(jì)算機(jī)上通信相關(guān)的重要信息都存儲(chǔ)在配置表中，配置表如圖6 所示，該表以XML 形式組織。Mainworker為根節(jié)點(diǎn)，timeout屬性為共享內(nèi)存讀取的超時(shí)值，machineFlag為機(jī)器編號(hào)，Mainworker節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)Agentworker節(jié)點(diǎn)。一個(gè)實(shí)裝軟件對(duì)應(yīng)一個(gè)AgentWorker節(jié)點(diǎn)，其hostname屬性為實(shí)裝軟件的名字，timeout為消息隊(duì)列的存取超時(shí)時(shí)間，它包含一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址信息。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)HostAddress節(jié)點(diǎn)，其屬性address為IP地址，netmark為子網(wǎng)掩碼。

圖6 配置表

3 應(yīng)用驗(yàn)證

該虛擬運(yùn)行環(huán)境已經(jīng)成功地應(yīng)用在系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試中。使用該虛擬運(yùn)行環(huán)境，部門間只協(xié)調(diào)軟件，在計(jì)算機(jī)硬件條件足夠高時(shí)僅使用了少量幾臺(tái)計(jì)算機(jī)便搭建起了聯(lián)合調(diào)試環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，實(shí)裝軟件在該虛擬運(yùn)行環(huán)境上運(yùn)行穩(wěn)定，且滿足實(shí)裝軟件要求的硬實(shí)時(shí)性，為該裝備系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)節(jié)約了成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種構(gòu)建嵌入式實(shí)裝軟件虛擬運(yùn)行環(huán)境的方法，以基于VxWorks5.5實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為例，分析了虛擬運(yùn)行環(huán)境的實(shí)現(xiàn)思想和具體實(shí)現(xiàn)。并通過(guò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信模塊接管實(shí)裝軟件通信的方式實(shí)現(xiàn)了在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)實(shí)裝軟件。最后以該虛擬運(yùn)行環(huán)境在某大型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用表明了該方法的可行性。下一步的研究工作是完善該虛擬運(yùn)行環(huán)境并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

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