一種基于嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)的空間隔離消息通信設(shè)計方法

周 彥，姜 兵

(成都飛機設(shè)計研究所，四川 成都 610091)

0 引言

飛機管理系統(tǒng)是下一代戰(zhàn)斗機最重要的飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它以飛控系統(tǒng)為核心，通過飛機管理計算機，對所有與飛行安全相關(guān)的機載系統(tǒng)進行綜合控制與管理。

目前，國外已有成熟的基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)軟件產(chǎn)品，如：Green Hills的INTEGRITY 178B操作系統(tǒng)在波音-787飛機中的應(yīng)用、Wind River的VxWorks 653在X-47B無人機飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用、Lockheed Martin定制開發(fā)的VMX操作系統(tǒng)在JSF飛機中的應(yīng)用等。

從國內(nèi)的情況來看，目前戰(zhàn)斗機飛控機載軟件的操作系統(tǒng)大多是針對飛控計算機硬件環(huán)境定制開發(fā)的，很顯然能夠滿足飛控系統(tǒng)需求。但是，具有操作系統(tǒng)功能特性的各種軟件模塊沒有形成一個獨立的內(nèi)核，與應(yīng)用層軟件沒有明顯的層次劃分，這種設(shè)計特點決定了該類型操作系統(tǒng)不可能支持分區(qū)功能。

為了突破這一瓶頸，實現(xiàn)分區(qū)操作系統(tǒng)在飛行安全關(guān)鍵系統(tǒng)中的應(yīng)用，我們前期開展了嵌入式實時操作系統(tǒng)在飛機管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究。在這項研究中，采用了國內(nèi)自研的時空隔離嵌入式實時分區(qū)操作系統(tǒng)，并成功完成了基于該操作系統(tǒng)的飛機管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計和原理驗證，為自研操作系統(tǒng)在飛行安全關(guān)鍵軟件研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了重要的支撐作用。但是，在經(jīng)過多次驗證后，原有的軟件架構(gòu)設(shè)計中的不足逐步開始體現(xiàn)，主要包括以下幾個方面：a)軟件架構(gòu)層次界限模糊；b)對于采用主/從CPU架構(gòu)的計算機，主要消息收發(fā)嚴重依賴主CPU的接口分區(qū)，從而CPU的功能嚴重受影響；c)應(yīng)用框架不明確，各個分區(qū)開發(fā)者自行定義分區(qū)結(jié)構(gòu)，相同功能重復(fù)開發(fā)，測試驗證的時間和成本攀升。

本文從分析嵌入式實時操作系統(tǒng)在上一階段的研究情況入手，在大量前期工作的基礎(chǔ)上總結(jié)工程實踐經(jīng)驗，借鑒國外先進軟件設(shè)計理念，提出了一種基于嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)的空間隔離消息通信設(shè)計方法，并對其在飛管系統(tǒng)機載軟件中的應(yīng)用驗證進行了分析說明。

1 空間隔離的消息通信原理

基于安全分區(qū)的操作系統(tǒng)架構(gòu)下的分區(qū)間消息通信方式有直接通信和間接通信兩種。

其中，直接通信，即是指在通信過程中雙方必須明確對通信的對方進行命名。符合ARINC653標準直接通信的常見應(yīng)用應(yīng)由端口、通道和消息組成。分區(qū)間通信是通過端口發(fā)送和接收消息完成的。分區(qū)通過端口的直接互聯(lián)實現(xiàn)了間接互聯(lián)。通道提供了端口之間的互聯(lián)機制，每一條通道指明了發(fā)送消息的端口名稱和所屬分區(qū)，及接收消息的端口和所屬分區(qū)。

間接通信，即是指通信的雙方不需要指出消息的來源和去向，即發(fā)送者不指出消息的接受方，而接受方也不指出消息的源，消息發(fā)送到郵箱，從郵箱中接收消息。每個郵箱有一個唯一的標識。間接通信方式中通信鏈接的特點是只有當分區(qū)共享一個公共郵箱時鏈接才建立；一個鏈接可以與多個分區(qū)相聯(lián)系；每對分區(qū)之間可以使用多個通信鏈接；

基于這一間接通信方式的典型應(yīng)用即是消息訂閱分發(fā)技術(shù)，它提供數(shù)據(jù)的交換和集成，數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)服務(wù)是一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同資源間實現(xiàn)信息動態(tài)交換的一種信息共享機制，包括發(fā)送和接收訂閱請求、分發(fā)訂閱的內(nèi)容，對本系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境和數(shù)據(jù)進行自動維護并為整個網(wǎng)絡(luò)提供分布式數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)服務(wù)。

2 空間隔離的消息通信設(shè)計

根據(jù)安全分區(qū)間接通信原理，考慮在飛機管理計算機中設(shè)置數(shù)據(jù)池作為消息訂閱和發(fā)布的郵箱，分區(qū)間不再使用共享內(nèi)存，而采用跟總線消息一致的消息機制進行數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)設(shè)計要求，在計算機中設(shè)定一片內(nèi)存區(qū)域作為數(shù)據(jù)池，每個分區(qū)需要設(shè)立獨立的分區(qū)發(fā)布數(shù)據(jù)緩存和分區(qū)訂閱數(shù)據(jù)緩存區(qū)域。

2.1外接口數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計

目前的飛機管理計算機提供了DMA(Direct Memory Access)和CPU兩種數(shù)據(jù)搬移的方式，首先對這兩種通信通路的執(zhí)行效率進行測試。

我們基于一個樣例CPU時序分區(qū)軟件，將其移植到新的消息收發(fā)機制中，對數(shù)據(jù)搬移時間和軟件運行時間進行了測試。作為測試樣本的CPU分區(qū)時序分布如圖1所示。

圖1 樣例CPU時序分布圖 圖2 內(nèi)接口DMA/CPU傳輸效率對比

作為測試樣本的主CPU的軟件包括3個應(yīng)用分區(qū)和3個I/O分區(qū)。測試選取了以DMA和CPU兩種傳輸方式，測試方式為被測分區(qū)軟件在控制管理模式下連續(xù)運行100000個小幀周期，獲取時間測試點的CPU時基寄存器值，計算兩個測試點的時基之差并折算為毫秒。2種傳輸方式的測試用例設(shè)計如表1所示。

表1 多標簽飛控數(shù)據(jù)集統(tǒng)計信息

2.1.1 DMA方式

總線數(shù)據(jù)和CCDL數(shù)據(jù)通過DMA交換數(shù)據(jù)，DMA配置為直接模式，主CPU實時任務(wù)運行時間的測試結(jié)果見表2。

表2 DMA方式執(zhí)行時間測試

2.1.2CPU方式

總線數(shù)據(jù)和CCDL數(shù)據(jù)通過CPU交換數(shù)據(jù)，CPU拷貝為32位模式，主CPU實時任務(wù)運行時間的測試結(jié)果見表3。

表3 CPU方式執(zhí)行時間測試

將兩種測試樣本的數(shù)據(jù)傳輸效率和運行效率進行比較，如圖2所示。CPU耗費的I/O時間平均達到了DMA耗費的I/O時間的1.78倍，其在I/O處理上的效率遠低于DMA。因此，對于外部接口，即在主CPU和總線接口單元緩存的通信及主CPU到從CPU的雙口通信應(yīng)采用DMA進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.2內(nèi)接口數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計

對于主CPU內(nèi)部接口，可以采用DMA和CPU兩種數(shù)據(jù)搬移的方式，對Cache使能和Cache禁止的軟件執(zhí)行效率進行了測試，測試方式參數(shù)設(shè)置同上。2種訪問方式的測試用例設(shè)計如表4。

表4 測試用例設(shè)置

分區(qū)間通信的僅在分區(qū)內(nèi)的執(zhí)行時間內(nèi)進行，不占用3個I/O分區(qū)的時間，因此，分區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)測試僅測試三個應(yīng)用分區(qū)的執(zhí)行時間，其I/O時間為消息發(fā)布和訂閱時間，運行時間即是實時周期任務(wù)執(zhí)行時間。將消息訂閱和發(fā)布的時間及程序運行時間進行單獨測試。

2.2.1 DMA方式

分區(qū)間消息通過DMA交換數(shù)據(jù)，DMA配置為直接模式，主CPU實時任務(wù)運行時間見表5。

表5 DMA方式分區(qū)接口/運行時間測試

2.2.2 CPU方式

分區(qū)間消息通過DMA交換數(shù)據(jù)，DMA配置為直接模式，主CPU實時任務(wù)運行時間見表6。

表6 CPU方式分區(qū)接口/運行時間測試

將兩種測試樣本的數(shù)據(jù)傳輸效率和運行效率進行比較，如圖2所示。

根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是I/O時間還是執(zhí)行時間，CPU傳輸均優(yōu)于DMA傳輸。從而對于內(nèi)部接口，即在主CPU內(nèi)部的分區(qū)間數(shù)據(jù)通信應(yīng)采用CPU進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.3數(shù)據(jù)池及數(shù)據(jù)流設(shè)計

從執(zhí)行效率考慮，外部接口設(shè)計應(yīng)使用DMA數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部接口設(shè)計應(yīng)使用CPU進行數(shù)據(jù)傳輸，但是對于外部接口和內(nèi)部接口交匯的部分，即數(shù)據(jù)池的設(shè)計存在著物理矛盾。矛盾的本體在于：

(1)數(shù)據(jù)池需要為外接口設(shè)置為Cache禁止；

(2)數(shù)據(jù)池需要為內(nèi)接口設(shè)置為Cache使能。

對分區(qū)數(shù)據(jù)流進行分析后，發(fā)現(xiàn)分區(qū)間的數(shù)據(jù)交換僅存在于主CPU內(nèi)部，沒有將分區(qū)發(fā)布的內(nèi)部接口包發(fā)送到總線的設(shè)計需求，因此結(jié)合空間分離和系統(tǒng)級別分離的原理，在空間隔離的消息通信設(shè)計中對數(shù)據(jù)池進行拆分，劃分為局部數(shù)據(jù)池和全局數(shù)據(jù)池兩級數(shù)據(jù)池訂閱和發(fā)布的數(shù)據(jù)中心。

(3)局部數(shù)據(jù)池及數(shù)據(jù)流。局部數(shù)據(jù)池用于分區(qū)間消息的通信，其通信模式及數(shù)據(jù)流設(shè)計參見圖3。

圖3 局部消息通信模型 圖4 全局消息通信模型

(4)全局數(shù)據(jù)池及數(shù)據(jù)流。其通信模式及數(shù)據(jù)流設(shè)計如圖4所示，主CPU和總線接口單元雙口及主CPU和從CPU雙口間的數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)流如圖4。

3 方法驗證及應(yīng)用

根據(jù)空間隔離的消息通信設(shè)計方法，在某型戰(zhàn)斗機飛機管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件完成了空間隔離的數(shù)據(jù)訂閱和發(fā)布設(shè)計。并基于某型飛管計算機進行了原理驗證，該計算機的硬件構(gòu)型見表7：

表7 目標機構(gòu)型

系統(tǒng)在正常工作期間，總線數(shù)據(jù)或分區(qū)之間的數(shù)據(jù)通訊均通過數(shù)據(jù)池實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。操作系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序則按照系統(tǒng)初始化期間應(yīng)用在分區(qū)中間層內(nèi)訂閱和發(fā)布消息的速率具體執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出操作。操作系統(tǒng)負責維護這全局和局部兩個數(shù)據(jù)池，并隔離分區(qū)應(yīng)用權(quán)限。

基于單板構(gòu)型和目標機構(gòu)型，對消息訂閱發(fā)布功能初始化、消息注冊、消息訂閱、消息周期發(fā)布和消息事件發(fā)布進行了功能驗證，同時完成了基于目標機的消息訂閱發(fā)布性能測試，結(jié)果見表8：

表8 驗證結(jié)果

驗證結(jié)果表明，基于嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)的空間隔離消息通信設(shè)計方法可滿足某型戰(zhàn)斗機飛機管理系統(tǒng)軟件對消息通信的功能及性能要求。

4 結(jié)論

在綜合分析了嵌入式實時操作系統(tǒng)在飛機管理系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計中存在的缺陷基礎(chǔ)上，本文借鑒了國外先進設(shè)計經(jīng)驗及安全分區(qū)的通信原理，設(shè)計了空間隔離的消息通信機制，并在飛機管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計中進行了實際應(yīng)用和原理驗證。

通過分析和原理驗證，該方法使用的消息通信可以實現(xiàn)完全的空間隔離，并且通過靈活的SCD配置，極大降低了操作系統(tǒng)和應(yīng)用，主CPU的硬件間及主CPU和從CPU的數(shù)據(jù)間的耦合性。

截止目前，本文所研究的基于嵌入式微內(nèi)核操作系統(tǒng)的空間隔離通信設(shè)計方法已完成多輪測試驗證和試驗試飛，測試結(jié)果表明改方法設(shè)計合理正確，數(shù)據(jù)流清晰，實現(xiàn)了分區(qū)之間的有效隔離。