[發明專利]一種構件化硬件實時操作系統的實現方法

有效

• 申請號: 201310396603.3
• 申請日: 2013-08-25
• 公開（公告）號: CN103440171A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 蔡銘;崔亞斌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F9/48
• 分類號: G06F9/48
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明屬于實時操作系統硬件化實現領域，涉及一種構件化硬件實時操作系統的實現方法。

背景技術

隨著嵌入式系統行業的不斷發展，實時操作系統RTOS（Real?Time?Operating?System）在工業控制、醫療器械、航空航天、汽車電子、家用電器等領域均得到了廣泛應用，并在嵌入式系統中占有了較大份額。實時操作系統是指能在確定的時間內對外部觸發事件及時做出響應并執行相應任務的一類操作系統。RTOS之所以能在計算機嵌入式應用中廣泛使用，是因為RTOS能夠將任務分解成多任務，簡化了應用系統軟件的設計。RTOS使控制系統的實時性得以保證，良好的多任務設計，可以提高嵌入式系統的可靠性和安全性。

隨著應用領域的不斷深化和細化，各種復雜的應用場景對RTOS的性能和穩定性要求也在逐漸加強。通用的桌面操作系統在可靠性方面有較全面的考慮，以滿足復雜應用場景，來避免死鎖、惡意攻擊等。然而多數RTOS為了保證實時性等性能要求下，對系統的可靠性進行簡化處理，對應用程序的編寫者提出更高的技術要求，從而留下安全隱患。傳統的RTOS已無法同時滿足更高的實時性和可靠性要求。采用軟硬件協同手段，對RTOS功能模塊進行硬化處理及功能重構，是一種兼顧系統實時性及可靠性的有效手段。這也是當前RTOS研究的熱點之一。

20世紀90年代，國外有人提出了實時操作系統硬件化的概念，使用硬件邏輯電路或者時序電路實現傳統實時操作系統中的任務調度、中斷處理、資源管理等功能。之后成型的研究成果開始出現。2003年Paul?Kohout將實時任務管理器硬件化，進行基于優先級和時間片的調度。2008年，解放軍信息工程學院的崔建華，基于“外部處理器+FPGA”的框架結構，設計了支持任務調度、中斷管理、定時器管理等功能的硬件RTOS。2011年，南丹麥大學的Anders?Blaabjerg?Lange設計并實現了較為完整的硬件實時操作系統HartOS，HartOS中包括了任務管理器、中斷管理器、資源管理器，并使用API?Processor實現CPU與管理器之間的通信。2012年，國內哈爾濱理工大學的谷萍萍使用遺傳算法?NSGA-II?作為軟硬件劃分算法，根據應用需要對UCOS?II實時操作系統進行部分硬件化，在硬件資源消耗與性能提升之間取得平衡。

從應用角度來說，對一個實時操作系統的評價體現在五個方面：（1）系統性能，即系統實時性和完成各項內核操作的速度；（2）系統資源消耗，即系統所占軟件內存空間和硬件資源量；（3）系統可靠性，即系統查錯能力和異常恢復能力；（4）系統可擴展性與可裁剪性，即系統根據應用需要進行裁剪或擴充的能力；（5）系統可復用性，即系統適用于不同運行環境的能力。但現有的大部分硬件實時操作系統，雖然有各自的優點，但都在一項或多項評價方面存在缺陷。或者是因為過多的總線通信導致性能降低，或者是因為系統耦合度過高而難于裁剪和擴展，或者是只能在特定硬件上實現，或者是對軟件操作檢查不足而存在可靠性上的缺陷，或者是在功能上與軟件實時操作系統存在較大差距。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種構件化硬件實時操作系統的實現方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種構件化硬件實時操作系統的實現方法，該方法包括以下步驟：

（1）將實時操作系統分為硬件內核和軟件接口兩部分，并確定軟硬件通信方式；

（2）在硬件內核中，確定實時操作系統內核各個功能模塊的構件化實現方式，使其可以根據需要靈活地調整、裁剪和擴展；

（3）在硬件內核中，實現硬件任務管理器；

（4）在硬件內核中，實現硬件中斷管理器；

（5）在硬件內核中，實現硬件計數信號量管理器；

（6）在硬件內核中，實現硬件互斥信號量管理器；

（7）在硬件內核中，實現硬件消息隊列管理器；

（8）通過包含多個單處理器硬件內核，實現多處理器的操作系統功能；

（9）在多處理器硬件內核中，實現處理器間計數信號量管理器；

（10）在多處理器硬件內核中，實現處理器間消息隊列管理器；

（11）實現完整的多處理器硬件實時操作系統內核。

本發明具有的有益效果是：

1、從系統性能上來說，本發明是全實時操作系統內核硬件化，最大程度減少了軟硬件通信開銷，比部分硬件化的實時操作系統在性能上有很大提高；