[發明專利]實現嵌入式虛擬機平臺高頻率數據采集方法

有效

• 申請號: 201410060284.3
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103853597B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 呂紫旭;劉姝;趙英輝;許開維
• 申請（專利權）人: 北京神舟航天軟件技術有限公司
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務所(普通合伙)11368
• 代理人: 孫國棟

技術領域

本發明屬于虛擬機領域，具體地說，涉及一種實現嵌入式虛擬機平臺高頻率數據采集方法。

背景技術

以ARINC 653規范為代表的綜合模塊化航空電子系統(IMA)已經成為第四代航空電子系統的實際標準，在航空航天、能源國防領域內得到了普遍應用。而隨著虛擬化技術的發展，利用Hypervisor提供的虛擬機分區機制來提供安全性、隔離性、復用性，廣泛應用與高性能計算、商業服務器領域，并衍生出諸多采用虛擬化方法實現ARINC 653標準的嵌入式實時操作系統，如XtratuM、Integrity、PikeOS等。

在航天領域內，尤其是火箭、導彈、載人飛船等航天飛行器控制系統中，需要在運行期間不斷采集大量的外部傳感器信息，需要采集的數據分屬于不同子系統，而某些數據采集的頻率可能會很高(每10ms采集多個傳感器數據)，采集數據不及時將會造成入軌或定位精度降低、無法完成任務等后果。

傳統虛擬化技術，并沒有考慮航空航天、能源國防等諸多領域控制系統對中斷響應實時性需求的考慮。如Xen采用了分離設備模型(Split Driver Model)，驅動處理分為前端(Front-End)與后端(Back-End)進行，后端驅動運行在諸如Domain0的特權分區中，負責通過Hypervisor訪問實際硬件，而前端程序運行在實際需要設備的分區中，其不需要運行特權指令，只需要從特權分區中通過環形緩沖獲取數據即可，當某應用虛擬機分區需要訪問設備時，向前端驅動發送請求，前端驅動將請求通過環形緩沖器(Ring Buffer)發送給運行在特權分區內的后端驅動，當特權分區開始執行后，逐個獲取環形緩沖器中的設備訪問請求，分別通過Hypervisor訪問實際硬件，并將數據通過共享內存保存，通過環形緩沖通知應用分區來獲取設備。前后端設備驅動模型從而一方面實現了設備的共享訪問，設備通過直接硬件訪問，減少了設備仿真帶來的性能開銷；另一方面通過緩沖區將設備訪問請求進行緩沖，減少了頻繁分區切換帶來的開銷。分離設備模型有利于塊設備(block device)的訪問效率。

在嵌入式虛擬化操作系統XtratuM中，為了提高系統的時間響應速度，在ARINC 653規范定義的事件分區調度之外，采用了基于優先級調度的方法，從而使得高優先級分區能夠盡早得到響應，從而提高輸入數據采集、信號響應等任務的響應速度。優先級調度的方式只能滿足高優先級分區盡早得到調度，在外部事件到來時能夠及時得到響應，但是分區間切換與調度的開銷仍然相對較大。

在某些研究中，研究人員將硬件中斷信號直接映射到指定的虛擬機分區中，中斷信號直接通過虛擬中斷的方式傳遞給虛擬機分區，虛擬機分區的中斷服務程序可以直接響應綁定的設備中斷，從而提高虛擬化分區的虛擬定時器響應速度。

在嵌入式尤其是航天領域內，上述方法存在如下問題：

傳統虛擬化技術采用的前后端設備模型，通過環形緩沖器將設備訪問請求進行緩沖，并通過特權分區將實際設備操作歸集到專門分區，適合于大數據量的塊設備的共享傳輸。但是對于一個設備請求，需要在緩沖區內等待特權分區讀取，并需要進行多次分區切換才能完成一次設備訪問，對于高頻率、小數據量、強實時的傳感器采集、數據交換等嵌入式強實時系統而言，很多情況下無法滿足應用需求。

通過優先級調度，能夠盡可能加快高優先級任務的響應速度，但是優先級與中斷響應頻率無直接關聯，是有應用特性和業務邏輯所決定的，中斷響應頻率高的應用分區，其優先級不一定是最高的。因此，高頻率中斷響應分區一旦被高優先級分區搶占，其數據采集窗口就會錯過，從而導致數據的丟失。

在嵌入式平臺尤其是航天嵌入式平臺中，大量采用的是SPARC、ARM等嵌入式處理器，無法提供APIC模塊，其硬件中斷資源相對有限(例如SPARC V8，只有16個中斷號)，無法為每個傳感器提供獨立的中斷號，這樣就無法采用上述中斷直接映射方式來提高分區的中斷響應速度的方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服上述缺陷，提供一種使得高頻率數據采集與中斷快速響應中的特權操作在Hypervisor中直接完成，減少Hypervisor與分區操作系統的多次切換，從而實現高頻率數據采集與中斷快速響應機制的實現嵌入式虛擬機平臺高頻率數據采集方法。

為解決上述問題，本發明所采用的技術方案是：