[發(fā)明專利]一種基于高速協(xié)議通道的實時微內(nèi)核系統(tǒng)及其初始化方法

有效

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• 申請日: 2019-02-20
• 公開（公告）號: CN111596962B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 代向東;劉寧博;郭皓;丁麗麗;任明洋;董軍平;劉莉
• 申請（專利權(quán)）人: 中標軟件有限公司
• 主分類號: G06F9/4401
• 分類號: G06F9/4401
• 代理公司: 北京匯智英財專利代理有限公司 11301
• 代理人: 何佳

本發(fā)明涉及一種基于高速協(xié)議通道的實時微內(nèi)核系統(tǒng)及其初始化方法，所述微內(nèi)核系統(tǒng)包括依次連接的程序功能模塊、系統(tǒng)任務模塊以及硬件，其中，程序功能模塊用于接收用戶的任務需求，系統(tǒng)任務模塊用于控制硬件響應用戶的任務需求，并且，系統(tǒng)任務模塊中設(shè)置有高速協(xié)議通道，通過通用原語直接請求任務執(zhí)行。本發(fā)明提供的基于高速協(xié)議通道的實時微內(nèi)核系統(tǒng)及其初始化方法，通過構(gòu)建形式化驗證的HSPC微內(nèi)核操作系統(tǒng)并完善高速協(xié)議通道的部署，配合終端處置模塊，真正實現(xiàn)了工控領(lǐng)域?qū)崟r安全操作系統(tǒng)的業(yè)務需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及內(nèi)核系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高速協(xié)議通道的實時微內(nèi)核系統(tǒng)及其初始化方法。

背景技術(shù)

適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)要求可靠性高、實時性強、安全性強，支持分布式處理方式，與底層硬件平臺緊密耦合，需要支持微型傳感器、測控終端、工控服務器、圖形工作站、集群控制系統(tǒng)、多層次大規(guī)模控制系統(tǒng)等多種業(yè)務，目前操作系統(tǒng)多屬于宏內(nèi)核操作系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)性能，許多系統(tǒng)功能模塊和所有驅(qū)動程序等都位于內(nèi)核之中，雖然可以裁剪，但內(nèi)核非常臃腫，稍有異常就會引起系統(tǒng)崩潰。隨著嵌入式測控終端微型化和物聯(lián)網(wǎng)終端的快速發(fā)展，迫切需要高可靠性的實時微內(nèi)核操作系統(tǒng)。由于UNIX早期主要用于分時系統(tǒng)，所以后面衍生出來操作系統(tǒng)的實時特性不佳，支持軟實時尚可，支持硬實時較難。VxWorks/RTOS等嵌入式操作系統(tǒng)的實時性能相對較好，但生態(tài)環(huán)境較弱。隨著工業(yè)控制智能化的快速發(fā)展，迫切需要支持硬實時和軟實時的微內(nèi)核操作系統(tǒng)。很多操作系統(tǒng)都號稱支持POSIX國際標準，POSIX來源于開放式UNIX，開源的LINUX和Android以及不開源的IOS也都源于UNIX，WINDOWS和VxWorks的新版本也都支持POSIX標準。但這些操作系統(tǒng)還有不少各自特有功能，多年來形成了各自的生態(tài)環(huán)境。

隨著工業(yè)化與信息化的快速融合，工業(yè)控制領(lǐng)域迫切需要從服務器到嵌入式設(shè)備的統(tǒng)一的操作系統(tǒng)接口標準規(guī)范。除了少數(shù)安全LINUX操作系統(tǒng)之外，多數(shù)操作系統(tǒng)的內(nèi)核安全特性很弱，有的甚至設(shè)計上就沒有考慮安全問題。隨著全球網(wǎng)絡(luò)安全威脅的日益嚴峻，工業(yè)控制領(lǐng)域迫切需要高安全強度的實時微內(nèi)核操作系統(tǒng)。工業(yè)操作系統(tǒng)運行于工控硬件平臺之上，根據(jù)硬件資源配置情況，可分為高、中、低三檔，高檔硬件平臺具有MMU和大量內(nèi)存(幾十到數(shù)百GB，RAM)等系統(tǒng)硬件資源并支持虛擬化；中檔硬件平臺具有MMU或MPU，不太大的內(nèi)存(幾十到數(shù)百KB，RAM)，且不支持虛擬化；低檔硬件平臺不具備MMU/MPU，也不支持虛擬化，內(nèi)存資源非常有限(幾KB，RAM)。

seL4，8700行源代碼，可執(zhí)行程序12KB，效率與宏內(nèi)核OS相當。seL4是高性能的L4微內(nèi)核家族的新產(chǎn)物，它具有操作系統(tǒng)所必需的服務，如線程、IPC、虛擬內(nèi)存、中斷、調(diào)度器等。除了微內(nèi)核，seL4另一大特色是完全的形式化驗證。seL4的實現(xiàn)總是嚴格滿足上一抽象層內(nèi)核行為的規(guī)約，它在任何情況下都不會崩潰或執(zhí)行不安全的操作，甚至可以精確的推斷出seL4在所有情況下的行為。

雖然sel4在安全性以及性能上都讓人刮目相看，但是目前來看微內(nèi)核包括sel4在硬實時上仍然不能滿足工控領(lǐng)域的需求，更差的是微內(nèi)核整個生態(tài)建設(shè)研發(fā)環(huán)境相比linux體系相差甚遠，導致在應用領(lǐng)域很難往前推進。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于高速協(xié)議通道的實時微內(nèi)核系統(tǒng)，包括依次連接的程序功能模塊、系統(tǒng)任務模塊以及硬件，其中，程序功能模塊用于接收用戶的任務需求，系統(tǒng)任務模塊用于控制硬件響應用戶的任務需求，并且，系統(tǒng)任務模塊中設(shè)置有高速協(xié)議通道，高速協(xié)議通道通過通用原語直接請求任務執(zhí)行。

其中，所述程序功能模塊包括系統(tǒng)調(diào)用模塊和多個應用程序模塊，其中，應用程序模塊通過系統(tǒng)調(diào)用模塊與系統(tǒng)任務模塊連接，或直接與系統(tǒng)任務模塊中的高速協(xié)議通道連接。

其中，所述系統(tǒng)任務模塊與程序功能模塊通過可移植操作系統(tǒng)接口規(guī)范連接，所述系統(tǒng)任務模塊與硬件通過可擴展固件接口連接。