A-RTOS系统设计与实现 - 嵌入式实时操作系统设计方案

A-RTOS系统设计与实现

　　A-RTOS的系统结构如图4所示。在此系统中，各个应用工作在所属区间的环境中,并且应用和内核及各个应用之间都被保护墙隔离，无法相互破坏，从而保证了核心模块的可靠性。

　　

 

　　隔离和保护机制

　　隔离和保护是ARINC653首要强调的特性，也是必须解决的重点之一。A-RTOS主要采用两种方式来实现应用与内核以及应用之间的隔离和保护。

　　第一种方式是使用内存管理单元MMU。通过MMU能够实现逻辑地址到物理地址的转化，并且对访问权限进行控制。这样可以保护操作系统内核不受应用软件有意或无意的破坏，也有效的防止了各应用软件之间的相互破坏。图5给出了MMU的页目录/页表方式的地址转换流程。

　　

 

　　第二种方式就是系统调用。A-RTOS为了实现对内核及应用之间的保护，提供了两种运行形态:用户态和系统态。其中操作系统内核是运行在系统态的。因此用户态的应用是不能够直接调用系统内核提供的功能接口的，必须通过TRAP系统调用方式来进行。

　　此种方式下，当用户态的应用需要调用内核提供的系统调用时，首先要执行一组特殊的指令使系统进入系统态以便执行需要的系统调用，当调用完成后，内核将执行另一组特征指令将系统返回到用户态。

　　每种支持保护模式的系统都提供了专门的软中断命令来完成从用户态进入系统态的功能。系统挂接一个软中断处理函数，所有的系统调用都通过这个软中断进入并以不同的参数值(即系统调用号)来加以区分。

　　系统调用的另一种形式是称为CALL-LIB的调用库机制。此种机制类似于windows系统的动态链接库，可以满足动态加载和更新组件的需要，也是A-RTOS的特点之一。

　　区间调度机制

　　ARINC653规定，区间调度模式的主要特征是:1)调度单元是区间;2)区间没有优先级;3)调度算法是预先确定的,按照固定的周期重复,并且只能由系统集成者进行配置。每个循环中，至少要为区间分配一个区间窗口。

　　在A-RTOS中，为了方便系统处理和能更好符合ARINC653规范，对以上规定进行了一定程度的修订:调度单元是区间和系统进程;区间具有优先级。但这些修订不影响操作系统区间层POS以及应用程序使用者，所以在外部特性上并不与ARINC653规定违背。

　　除此之外， A-RTOS还引入两个系统区间:Kernel区间和Idle区间。Kernel区间优先级最高，用于为整个系统的运行提供支持;并且一些系统级进程，也属于Kernel区间，方便调度。Idle区间具有最低的优先级，用于填充系统时间。当系统中没有其他区间可以运行，就运行Idle区间。

　　A-RTOS区间的调度原则是首先基于优先级调度，对同一优先级的区间可使用时间片轮转调度或者基于时间窗的循环调度策略。

　　A-RTOS采用两级调度机制。系统中具有区间的优先级位图和每个优先级对应的就绪链表，每个区间中也包含系统进程的优先级位图和对应的就绪链表。利用优先级位图和就绪链表，可以很容易的实现对区间和系统进程的调度。图6给出了这种调度模型。

　　

 

　　调度模块首先根据系统中的区间优先级位图和区间就绪链表来进行区间调度，被调度到的区间再根据区间内的进程优先级位图和进程就绪链表进行系统进程的调度。此方法相对于一级调度方式而言，能够保证调度时间的确定性，系统调度时间不会因为区间和系统进程的多少而发生变化，符合实时操作系统的定义。

　　在进行基于时间窗调度时，两个系统区间实际上也会参与调度。Kernel区间的运行时间会计算在区间调度配置表中当前区间的运行时间上。因此对于某应用区间而言，它的运行时间实际上会包含系统区间的运行。

　　进程池机制

　　在A-RTOS中，进程池是指一组由系统进行维护的进程，这些进程能够为应用提供一组服务。应用通过系统提供的调用接口对系统提出应用请求，系统把应用的请求交给进程池，进程池自动选择一个空闲进程对其进行服务，当服务完毕以后，系统会回收该系统进程。

　　进程池主要应用在时钟定时器服务、中断服务和异步IO操作。