面向NB-IoT的微內(nèi)核RTOS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 正，賈小林

(西南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 RFID&IOT實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

NB-IoT被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、安全檢測(cè)等重要領(lǐng)域，這類設(shè)備的硬件資源通常非常有限(通常為IETF定義的三類設(shè)備[1])，其設(shè)備中大多運(yùn)行宏內(nèi)核RTOS，例如：RT-Thread[2]、FreeRTOS[3]、uC/OS-II[4]。這種宏內(nèi)核的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)組件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存管理、線程調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)棧等都被包含在特權(quán)內(nèi)核中。內(nèi)核中出現(xiàn)的錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，并且內(nèi)核之間的模塊可能出現(xiàn)潛在的相互依賴使得模塊化程度降低，此外宏內(nèi)核的初始化中包含了許多導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)變慢的流程，會(huì)影響系統(tǒng)的開機(jī)速度。為解決以上問(wèn)題，出現(xiàn)了各類的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，例如：Chorus[5]、Mach[6]、L4[7]、seL4[8]等。這類內(nèi)核通常只提供以下幾類硬件抽象：(1)虛擬內(nèi)存管理：將虛擬地址映射到物理地址；(2)線程抽象和調(diào)度；(3)進(jìn)程間通信(IPC)。其余的文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等都被隔離在內(nèi)核之外。

在NB-IoT設(shè)備上實(shí)現(xiàn)微內(nèi)核有一定的難度，主要原因在于其處理器上不包含MMU，整個(gè)系統(tǒng)只有單地址空間，DL2實(shí)現(xiàn)困難。DL2作為微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)，保證了微內(nèi)核系統(tǒng)中的軟件模塊可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地加載到系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)行。目前，適用于NB-IoT設(shè)備的操作系統(tǒng)比較多：(1)Contiki[9]、uC/OS-II、uC/OS-III[10]、RIOT[11]、FreeRTOS[3]、uCLinux[12]、Linux、SenSpire OS[13]、RT-Thread、mbedOS[14]、TinyOS[15]等操作系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)上得到廣泛使用，但都為宏內(nèi)核操作系統(tǒng)，甚至部分操作系統(tǒng)還并不支持DL2技術(shù)；(2)seL4、VxWorks[16]、Chorus等在設(shè)計(jì)之初就被設(shè)計(jì)為微內(nèi)核操作系統(tǒng)，支持DL2技術(shù)，但是內(nèi)存占用較高，在NB-IoT設(shè)備中并不適用[8]。

目前，對(duì)于NB-IoT設(shè)備還沒有適用的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，該文針對(duì)NB-IoT設(shè)備硬件資源較少的情況，對(duì)現(xiàn)有的DL2技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)MMU的nM-MKRTOS，實(shí)現(xiàn)了加載速度和傳輸開銷的優(yōu)化。nM-MKRTOS通過(guò)優(yōu)先加載配置策略，實(shí)現(xiàn)了核心功能的優(yōu)先加載，提高NB-IoT系統(tǒng)的啟動(dòng)速度。此外利用DL2技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊間的內(nèi)存復(fù)用策略，能夠減少NB-IoT系統(tǒng)的成本，提高內(nèi)存利用率。

1 微內(nèi)核的設(shè)計(jì)

FreeRTOS、RT-Thread等系列操作系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就采用了宏內(nèi)核的設(shè)計(jì)方式，宏內(nèi)核通過(guò)統(tǒng)一編譯的方式，在運(yùn)行階段會(huì)帶來(lái)一定的性能提升。但也導(dǎo)致宏內(nèi)核需要設(shè)計(jì)者做大量的配置工作，并且其大量組件被一同編譯運(yùn)行，會(huì)拖慢開機(jī)速度。該文設(shè)計(jì)的nM-MKRTOS內(nèi)核包含內(nèi)存管理、任務(wù)間通信(Inter Process Communication，IPC)、調(diào)度管理模塊與DL2模塊，如圖1所示。

圖1 微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)調(diào)度管理模塊：該模塊進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，采用搶占式任務(wù)調(diào)度算法。

(2)任務(wù)間通信模塊：任務(wù)間通信通過(guò)共享內(nèi)存、消息隊(duì)列等方式實(shí)現(xiàn)。

(3)內(nèi)存管理模塊：對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)存進(jìn)行管理。

(4)DL2模塊：DL2模塊用于對(duì)模塊進(jìn)行快速加載并執(zhí)行。對(duì)于每一個(gè)動(dòng)態(tài)加載的模塊，會(huì)進(jìn)行初始化；對(duì)于每一個(gè)動(dòng)態(tài)加載的應(yīng)用，會(huì)初始化并創(chuàng)建進(jìn)程。

(5)策略優(yōu)化模塊：該模塊包含了加載策略優(yōu)化，用于提高系統(tǒng)的開機(jī)速度；此外還包含了內(nèi)存“卸載”功能，通過(guò)將掛起進(jìn)程的內(nèi)存“卸載”到外部存儲(chǔ)模塊，達(dá)到內(nèi)存復(fù)用的目的。

不同的微內(nèi)核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本一致，故模塊2、3不是該文描述的重點(diǎn)；模塊1中包含了搶占式任務(wù)調(diào)度程序，其任務(wù)狀態(tài)與普通RTOS有差異；模塊4中包含了DL2模塊，用于在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)程序模塊的動(dòng)態(tài)加載，是提高系統(tǒng)開機(jī)速度和實(shí)現(xiàn)內(nèi)存復(fù)用的核心技術(shù)；模塊5實(shí)現(xiàn)了開機(jī)加載策略并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存復(fù)用，是核心模塊。

2 調(diào)度管理模塊

任務(wù)調(diào)度算法為微內(nèi)核的核心模塊，對(duì)于NB-IoT來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)要求對(duì)于某些緊急任務(wù)做出最快的處理(如：環(huán)境檢測(cè)報(bào)警)，這就要求系統(tǒng)擁有一定的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度算法，采用搶占式設(shè)計(jì)，但支持同優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)執(zhí)行。系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)調(diào)度算法

系統(tǒng)維持一個(gè)按照優(yōu)先級(jí)順序排列的雙向鏈表，鏈表的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中存放的是同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。變量x將存放最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的頭節(jié)點(diǎn)，每次最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被掛起或阻塞時(shí)，會(huì)查找最高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)以更新x。在x未發(fā)生變化時(shí)，其調(diào)度算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，在發(fā)生變化時(shí)，其調(diào)度算法復(fù)雜度為O(n)，n為系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)的個(gè)數(shù)。在x發(fā)生變化時(shí)，利用位圖的方式進(jìn)行查找，其算法復(fù)雜度還可以優(yōu)化，但是要求系統(tǒng)最大任務(wù)數(shù)與優(yōu)先級(jí)必須在編譯時(shí)就確定，使得系統(tǒng)靈活性降低，所以這里不進(jìn)行論述。

圖3中，系統(tǒng)中的任務(wù)總共包含6種狀態(tài)：掛起、就緒、運(yùn)行、卸載、阻塞、被阻塞。掛起狀態(tài)為用戶執(zhí)行Suspend操作時(shí)掛起任務(wù)，只有執(zhí)行Resume才能將任務(wù)恢復(fù)為就緒狀態(tài)；阻塞狀態(tài)為任務(wù)延時(shí)、等待事件等都會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；卸載狀態(tài)為用戶執(zhí)行Unload操作將任務(wù)“卸載”到外部存儲(chǔ)設(shè)備，只有執(zhí)行Load操作才能夠恢復(fù)，并執(zhí)行Unload與Load將會(huì)占用較多的時(shí)間。

圖3 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

3 DL2模塊

DL2用于微內(nèi)核中模塊動(dòng)態(tài)加載與執(zhí)行，可加載文件體積與加載速度都會(huì)影響系統(tǒng)性能。在許多物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中，如SenSpire OS[13]，都實(shí)現(xiàn)了DL2，并且針對(duì)其使用的場(chǎng)合進(jìn)行優(yōu)化。該文參考了文獻(xiàn)[17-18]中DL2的實(shí)現(xiàn)，并優(yōu)化可加載文件大小與符號(hào)表。

3.1 可加載文件大小優(yōu)化

在標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行可鏈接格式(Executable Linkable Format，ELF)文件中包含了許多的段，如圖4所示，然而這些段不參與程序的執(zhí)行，通過(guò)對(duì)這些段的優(yōu)化，能夠減少可加載文件的體積，在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)能夠明顯提高速度，減少能耗。

圖4 tDLL文件格式與ELF文件格式

3.2 符號(hào)表優(yōu)化

在標(biāo)準(zhǔn)ELF中，符號(hào)表被分成了很多類，并且某些符號(hào)表之間還存在一定的關(guān)系。符號(hào)表中存儲(chǔ)了函數(shù)、變量、重定向變量等信息，系統(tǒng)依靠符號(hào)表完成函數(shù)的重定向，ELF在符號(hào)表中利用Hash表對(duì)符號(hào)表進(jìn)行快速查找，但是當(dāng)符號(hào)數(shù)量增多時(shí)，Hash表的碰撞會(huì)導(dǎo)致性能下降。該文對(duì)符號(hào)表進(jìn)行了修改與整合，如表1所示，在符號(hào)表中添加預(yù)鏈接信息(目標(biāo)符號(hào)在目標(biāo)庫(kù)中的偏移地址)，在進(jìn)行重定向時(shí)，通過(guò)使用預(yù)鏈接信息則無(wú)需在目標(biāo)符號(hào)表中進(jìn)行查找，查找效率為O(1)。

表1 符號(hào)表

4 策略優(yōu)化模塊

4.1 提高系統(tǒng)開機(jī)速度

系統(tǒng)內(nèi)核的加載、系統(tǒng)硬件初始化、內(nèi)核軟件的初始化、用戶軟件的初始化等都會(huì)影響系統(tǒng)開機(jī)速度。在使用宏內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)備中，系統(tǒng)通常包含了眾多的功能，整個(gè)軟硬件系統(tǒng)全部初始化完畢則標(biāo)志著整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)完畢。然而對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)通常只關(guān)心一部分功能亦或者一部分功能需要提前啟動(dòng)，而這部分功能的啟動(dòng)只占用整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)的一部分時(shí)間。利用微內(nèi)核的DL2所具備的優(yōu)勢(shì)，將系統(tǒng)任務(wù)按照啟動(dòng)權(quán)重進(jìn)行劃分，利用優(yōu)先加載策略，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)快速啟動(dòng)。

圖5 系統(tǒng)模塊劃分有向加權(quán)圖

在整個(gè)系統(tǒng)中，不同功能對(duì)應(yīng)不同的模塊子集序列，這些序列通過(guò)施加權(quán)值的方式?jīng)Q定其啟動(dòng)的順序。例如：任務(wù)I中希望序列J2被最先加載執(zhí)行，則對(duì)于子集權(quán)重的分配為公式(2)～公式(4)。

(1)

J1={I0,I1,I4,I7,I10}*k1

(2)

J2={I0,I1,I2,I4,I5,I8,I11}*k2

(3)

J3={I0,I2,I3,I5,I6,I9,I12}*k3

(4)

其中，k2>(k1,k3)∈N，上述公式表示，J2擁有最高權(quán)重，其任務(wù)功能序列最先被加載。

4.2 內(nèi)存復(fù)用優(yōu)化

在有MMU的處理器中，通過(guò)“交換內(nèi)存”實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的復(fù)用，即通過(guò)外部存儲(chǔ)設(shè)備作為內(nèi)存存放的臨時(shí)區(qū)域，使得運(yùn)行程序的規(guī)模能夠超過(guò)內(nèi)存所支持的大小。但NB-IoT設(shè)備通常沒有MMU，開發(fā)者通常只能夠使用硬件所限制的內(nèi)存大小。該文利用微內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)，提出模塊內(nèi)存“卸載”策略，即在系統(tǒng)中執(zhí)行的任務(wù)具有時(shí)間上的不相關(guān)性，則這些任務(wù)也可以使用類似“交換內(nèi)存”的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的重復(fù)利用。

內(nèi)存復(fù)用能夠使得系統(tǒng)運(yùn)行更多的應(yīng)用，但也帶來(lái)了性能損失，通常將其用于對(duì)應(yīng)用要求不高的場(chǎng)合，這對(duì)于NB-IoT的場(chǎng)合非常適用，在NB-IoT場(chǎng)景中其通常要求周期性地進(jìn)行工作，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延要求并不嚴(yán)格。在微內(nèi)核的系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)可以用圖6表示，定義任務(wù)規(guī)則P=(r,k,I,b,p,a,Rt,t)，其中：

(1)r為RAM所需空間，r<系統(tǒng)可用RAM空間；

(2)k為ROM所需空間，k<系統(tǒng)可用ROM空間；

(3)I為之后需要執(zhí)行的任務(wù)集(為-1代表下一個(gè)任務(wù)為空)；

(4)b為前驅(qū)任務(wù)集；

(5)p為執(zhí)行該模塊前需執(zhí)行的動(dòng)作(0:保持，1：掛起；2：恢復(fù)；3：卸載到外部?jī)?nèi)存；4：加載到內(nèi)部?jī)?nèi)存)；

(6)a為當(dāng)前任模塊到下一個(gè)模塊所執(zhí)行的動(dòng)作；

(7)Rt為模塊運(yùn)行間隔；

(8)t為運(yùn)行時(shí)間。

在圖6中，通過(guò)配置r、k、I、p與a可以指定模塊I1與I2的啟動(dòng)順序與動(dòng)作，通過(guò)配置Rt與t可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間不相關(guān)模塊的內(nèi)存復(fù)用(如：I2與I1)。

圖6 任務(wù)內(nèi)存復(fù)用示意

5 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中，使用了真實(shí)的硬件設(shè)備，見圖7，其系統(tǒng)RAM為64 KB，系統(tǒng)ROM為512 KB，系統(tǒng)主頻為72 MHz，在本節(jié)的所有實(shí)驗(yàn)中，都采用該配置的處理器。

圖7 測(cè)試硬件

5.1 可加載文件性能分析

該文對(duì)可加載文件的大小以及加載速度進(jìn)行了優(yōu)化，為此編寫了7個(gè)模塊，對(duì)比ELF可加載文件在相同模塊下的體積大小。在圖8中，該文的可加載文件體積相比于ELF，是標(biāo)準(zhǔn)ELF文件大小的10.4%～68.4%。可加載文件體積的優(yōu)化，意味著在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中能夠節(jié)省更多的時(shí)間與能耗。

圖8 可加載文件大小對(duì)比

5.2 可加載文件執(zhí)行速度測(cè)試

為對(duì)比該可加載文件與ELF文件在加載后執(zhí)行性能的差異，利用幾種經(jīng)典的排序算法進(jìn)行性能比較，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。在幾種排序算法中，只有在選擇排序測(cè)試中，性能損失了6.1%，其他排序算法在對(duì)比中幾乎沒有差異。

圖9 執(zhí)行性能對(duì)比

5.3 系統(tǒng)啟動(dòng)速度測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)速度，編寫了一個(gè)測(cè)試程序，該程序與真實(shí)場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)，其模塊劃分見圖5，系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、上報(bào)與控制任務(wù)，其包含三個(gè)任務(wù)子集J1、J2與J3，每個(gè)子集包含若干模塊，定義其啟動(dòng)規(guī)則為公式(5)～公式(7)。

(5)

(6)

(7)

在系統(tǒng)未按權(quán)重進(jìn)行加載時(shí)，系統(tǒng)總啟動(dòng)時(shí)間為1 290 ms，在分別設(shè)置模塊子集加載權(quán)重為：(2,1,1)、(1,2,1)、(1,1,2)，三個(gè)模塊子集其啟動(dòng)時(shí)間分別為：547 ms，612 ms，676 ms，即權(quán)重加載啟動(dòng)方式相比于未按權(quán)重加載其三個(gè)模塊的啟動(dòng)時(shí)間分別減少了57.59%、52.55%與47.59%。

5.4 內(nèi)存復(fù)用測(cè)試

在內(nèi)存復(fù)用測(cè)試的測(cè)試中，編寫與4.2節(jié)中相同的應(yīng)用測(cè)試模塊，4個(gè)應(yīng)用模塊的加載規(guī)則為公式(8)。

(8)

在規(guī)則中，I0為系統(tǒng)OS內(nèi)核；I1與I2為應(yīng)用程序，執(zhí)行周期分別為2 s與1 s，其為周期任務(wù)，可以做到時(shí)間上不相交，并且I1與I2同時(shí)運(yùn)行其需要的RAM空間必然超過(guò)系統(tǒng)總空間。通過(guò)內(nèi)存復(fù)用可提高RAM內(nèi)存的利用效率，在本測(cè)試中，內(nèi)存利用率提高56.25%。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)NB-IoT設(shè)備資源少、穩(wěn)定性要求高、系統(tǒng)對(duì)外界響應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了nM-MKRTOS。該系統(tǒng)采用微內(nèi)核的設(shè)計(jì)思想，其任務(wù)調(diào)度算法采用搶占式調(diào)度策略，利用模塊優(yōu)先加載策略提高系統(tǒng)的開機(jī)速度，并且針對(duì)時(shí)間上不相關(guān)的模塊，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存復(fù)用策略，提高了內(nèi)存的利用率。在編寫的測(cè)試案例中，系統(tǒng)的開機(jī)時(shí)間分別減少57.59%、52.55%與47.59%，內(nèi)存利用率提高45.83%。此外，該系統(tǒng)采用微內(nèi)核的思想，其能夠最大程度上保證內(nèi)核的安全，防止驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)等出現(xiàn)的問(wèn)題影響系統(tǒng)的工作。nM-MKRTOS系統(tǒng)能夠應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等各個(gè)場(chǎng)合，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，還能夠提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。