摘要

本文著重介紹了我國自主研發(fā)的鴻道Intewell操作系統(tǒng)——針對低成本硬件數(shù)控系統(tǒng)的一種體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。此體系結(jié)構(gòu)可以為數(shù)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供豐富的生態(tài)，滿足數(shù)控系統(tǒng)HMI應(yīng)用的需要;同時(shí)，為數(shù)控系統(tǒng)提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性能，通過實(shí)時(shí)控制應(yīng)用與非實(shí)時(shí)HMI應(yīng)用的多業(yè)務(wù)融合可實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制。

關(guān)鍵詞：混合異構(gòu)系統(tǒng),共享內(nèi)存,半虛擬化,數(shù)控系統(tǒng),鴻道操作系統(tǒng)

作者：郭建川，殷燦菊 作者單位：科東(廣州)軟件科技有限公司

引言

隨著我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，日益增長的先進(jìn)制造、精密加工需求與高端制造裝備核心技術(shù)相對缺乏、自主程度低的矛盾越發(fā)突出，特別是高端數(shù)控核心技術(shù)還比較落后，已經(jīng)成為影響我國工業(yè)發(fā)展和國防安全的重要因素。因此，研發(fā)真正完全自主的高端數(shù)控核心系統(tǒng)，具有十分重要的市場價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

操作系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為數(shù)控系統(tǒng)提供資源管理以及調(diào)度能力，是數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的功能和性能制約著數(shù)控系統(tǒng)的性能與可靠性。經(jīng)過數(shù)十年的努力，我國在數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵領(lǐng)域取得了一系列重大技術(shù)突破，研制出了若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，但是我國尚未完全改變在數(shù)控操作系統(tǒng)受制于人的局面。目前數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)大多使用國外的Intime及開源Linux。

Intewell工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為我國自主研發(fā)，可運(yùn)行于多種通用硬件系統(tǒng)和嵌入式硬件系統(tǒng)中，包實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)獨(dú)立及融合兩種應(yīng)用形態(tài)。Intewell結(jié)合虛擬化和強(qiáng)實(shí)時(shí)特性，實(shí)現(xiàn)單一物理設(shè)備能力的資源池化、設(shè)備綜合化的操作系統(tǒng)，使單一物理設(shè)備的業(yè)務(wù)能力根據(jù)應(yīng)用需要靈活變化，同時(shí)還具備豐富的生態(tài)支持、高可靠性及強(qiáng)實(shí)時(shí)性能特點(diǎn)。Intewell根據(jù)硬件能力及業(yè)務(wù)要求有多種構(gòu)型。因數(shù)控系統(tǒng)往往不具備硬件輔助虛擬化特性，因此Intewell提供了一種針對數(shù)控系統(tǒng)的面向低成本硬件的可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)形態(tài)的解決方案。本文著重介紹Intewell可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，此構(gòu)型非常符合數(shù)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

數(shù)控操作系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供豐富的生態(tài)，滿足數(shù)控系統(tǒng)HMI應(yīng)用的需要，同時(shí)為數(shù)控系統(tǒng)提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性能。實(shí)時(shí)控制應(yīng)用與非實(shí)時(shí)HMI應(yīng)用多業(yè)務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制。

數(shù)控操作系統(tǒng)需提供高可靠性，對于同時(shí)運(yùn)行非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)關(guān)鍵業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境的數(shù)控可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)，研究兩類異構(gòu)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，分別提供適合不同業(yè)務(wù)場景的安全隔離機(jī)制。針對數(shù)控多種非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行時(shí)對安全資源隔離的需求，研究多個(gè)非實(shí)時(shí)任務(wù)間的空間隔離技術(shù)、故障隔離技術(shù)，為非實(shí)時(shí)任務(wù)關(guān)鍵軟件提供高效容錯(cuò)隔離機(jī)制，以防止不同任務(wù)間的故障傳播。針對數(shù)控多種實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行時(shí)對安全資源隔離、關(guān)鍵任務(wù)快速重構(gòu)等方面的需求，研究任務(wù)間的空間隔離技術(shù)、時(shí)間隔離技術(shù)、故障隔離技術(shù)，為安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)提供高效容錯(cuò)隔離機(jī)制，以防止不同任務(wù)間的故障傳播，并提供虛擬中斷管理、分區(qū)管理與調(diào)試、容錯(cuò)管理等功能。另外，混合異構(gòu)操作系統(tǒng)需要為非實(shí)時(shí)及實(shí)時(shí)應(yīng)用之間提供高速通信機(jī)制。

2 可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)支持非實(shí)時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、關(guān)鍵任務(wù)和非關(guān)鍵任務(wù)混合運(yùn)行的容錯(cuò)構(gòu)型及分區(qū)資源可配置的高可靠強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

通過微內(nèi)核、半虛擬化及強(qiáng)實(shí)時(shí)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)共享同一個(gè)資源池，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的短板，確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)資源優(yōu)先供給、智能部署、安全隔離。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)由系統(tǒng)可視化資源配置、Intewell實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境、強(qiáng)實(shí)時(shí)的分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)、GPOS非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)以及非實(shí)時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)之間的高速通信等部分組成。GPOS可以是Windows以及各種Linux版本。

2.2 系統(tǒng)可視化資源配置

系統(tǒng)硬件資源使用圖形化展示方式對多系統(tǒng)使用的資源進(jìn)行配置。資源靜態(tài)配置，防止運(yùn)行中動(dòng)態(tài)配置的不確定性，提高整體系統(tǒng)的可靠性。另外，針對圖形化配置進(jìn)行資源配置檢測方法，用于實(shí)現(xiàn)在編譯前檢測系統(tǒng)資源配置是否沖突，以避免系統(tǒng)資源配置沖突導(dǎo)致的操作系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。在目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼編譯之前，獲取目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼;源代碼中包括目標(biāo)項(xiàng)目對應(yīng)的配置文件，解析配置文件可以得到配置文件的配置信息;配置信息包括各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息和屬性配置信息，若確定配置信息中包括的節(jié)點(diǎn)信息或?qū)傩耘渲眯畔⒋嬖谫Y源配置沖突，則確定目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼存在資源配置沖突。如此，可以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)項(xiàng)目的操作系統(tǒng)的源代碼編譯之前檢測出操作系統(tǒng)的資源配置是否沖突，進(jìn)而避免系統(tǒng)資源配置沖突導(dǎo)致的操作系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)，可以節(jié)省重新固化運(yùn)行程序的時(shí)間。系統(tǒng)的資源配置檢測裝置如圖2所示。

圖2 資源配置檢測裝置

①獲取單元用于在目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼編譯之前，獲取所述目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼，所述源代碼中包括所述目標(biāo)項(xiàng)目對應(yīng)的配置文件;

②解析單元用于解析所述配置文件，得到所述配置文件的配置信息，所述配置信息包括各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息和各節(jié)點(diǎn)的屬性配置信息;

③處理單元用于：若確定所述配置信息中包括的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息或?qū)傩耘渲眯畔⒋嬖谫Y源配置沖突，則確定所述目標(biāo)項(xiàng)目的源代碼存在資源配置沖突。

2.3 硬件資源抽象層

硬件資源抽象層實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)在同一物理硬件上同時(shí)運(yùn)行。對于多核CPU，實(shí)現(xiàn)邏輯分區(qū)和物理分區(qū)共存的情形;對于非實(shí)時(shí)系統(tǒng);運(yùn)行在部分物理核上;對于實(shí)時(shí)部分運(yùn)行到其余物理核上，采用虛擬化技術(shù)，在此部分物理核上可以運(yùn)行多個(gè)TTOS。硬件資源抽象層使數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺上承載不同類型數(shù)控業(yè)務(wù)的非實(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)異構(gòu)系統(tǒng)間對于各種硬件資源的靈活分配技術(shù)，針對的典型硬件資源包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、信資源，既提供為保障響應(yīng)及時(shí)性的單系統(tǒng)對硬件資源的獨(dú)占機(jī)制，也支持發(fā)揮資源復(fù)用能力的多系統(tǒng)間對相同硬件資源的共享機(jī)制，主要包括多操作系統(tǒng)啟動(dòng)、資源靈活分配等技術(shù)。

多核CPU上多操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)核讀取預(yù)設(shè)的資源配置文件，并根據(jù)預(yù)設(shè)的資源配置文件啟動(dòng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)的資源配置文件確定客戶機(jī)操作系統(tǒng)對應(yīng)的應(yīng)用核，使能對應(yīng)的應(yīng)用核，并將資源配置文件發(fā)送給對應(yīng)的應(yīng)用核。其中，預(yù)設(shè)的資源配置文件中至少包括多個(gè)操作系統(tǒng)的資源配置;對應(yīng)的應(yīng)用核被使能后，加載資源配置文件到預(yù)設(shè)的操作系統(tǒng)的喚醒物理地址，并根據(jù)資源配置文件完成應(yīng)用核的初始化工作，以及在完成初始化工作后跳轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)的被啟動(dòng)操作系統(tǒng)的入口地址，此啟動(dòng)模式可以有效實(shí)現(xiàn)在多核CPU上協(xié)同啟動(dòng)多個(gè)異構(gòu)操作系統(tǒng)。多操作系統(tǒng)啟動(dòng)裝置如圖3所示。

圖3 多操作系統(tǒng)啟動(dòng)裝置

啟動(dòng)核用于讀取預(yù)設(shè)的資源配置文件，并根據(jù)所述預(yù)設(shè)的資源配置文件啟動(dòng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的資源配置文件確定客戶機(jī)操作系統(tǒng)對應(yīng)的應(yīng)用核，使能所述對應(yīng)的應(yīng)用核，以及將資源配置文件發(fā)送給所述對應(yīng)的應(yīng)用核。其中，所述預(yù)設(shè)的資源配置文件中至少包括基礎(chǔ)操作系統(tǒng)和客戶機(jī)操作系統(tǒng)的資源配置。應(yīng)用核被使能后，加載所述資源配置文件到預(yù)設(shè)的客戶機(jī)操作系統(tǒng)的喚醒物理地址，并根據(jù)所述資源配置文件完成應(yīng)用核的初始化工作，以及在完成初始化工作后跳轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)的客戶機(jī)操作系統(tǒng)的入口地址，啟動(dòng)客戶機(jī)操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)根據(jù)靜態(tài)資源配置文件對硬件資源進(jìn)行分配。每個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，都根據(jù)資源配置文件中的配置初始化使用特定的硬件資源，系統(tǒng)中針對存儲(chǔ)資源和部分網(wǎng)卡資源采用共享機(jī)制。

2.4 高可靠性設(shè)計(jì)

Intewell操作系統(tǒng)可以保證非實(shí)時(shí)非關(guān)鍵任務(wù)及實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)在一臺計(jì)算機(jī)中安全、可靠地運(yùn)行。非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用通過容器進(jìn)行隔離，實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以使用Intewell分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)通過分區(qū)進(jìn)行隔離，非實(shí)時(shí)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過硬件資源抽象層對物理資源進(jìn)行隔離。

容器作為一種輕量虛擬化技術(shù)，相較于基于虛擬機(jī)的全虛擬化方式，可以更細(xì)粒度地高效使用資源。通過使用容器可以將應(yīng)用程序的代碼、配置和依賴關(guān)系進(jìn)行打包，將其變成容易使用的構(gòu)建塊，從而實(shí)現(xiàn)理想的環(huán)境一致性、運(yùn)營效率、開發(fā)人員生產(chǎn)力和版本控制等諸多目標(biāo)。容器可以保證應(yīng)用程序獲得快速、可靠、一致的部署，其間不受部署環(huán)境的影響，從而實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中HMI等應(yīng)用的相對安全性和隔離性。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)側(cè)使用強(qiáng)實(shí)時(shí)高可靠分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)對實(shí)時(shí)側(cè)提供容錯(cuò)隔離基礎(chǔ)。分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)的分區(qū)隔離通過MMU機(jī)制實(shí)現(xiàn)，即：在空間上每個(gè)分區(qū)擁有獨(dú)立的運(yùn)行空間，當(dāng)一個(gè)分區(qū)的空間被破壞后不影響其他分區(qū)的正常運(yùn)行，且分區(qū)間無法相互訪問;在時(shí)間上，每個(gè)分區(qū)擁有獨(dú)立的運(yùn)行實(shí)體，該實(shí)體的運(yùn)行在時(shí)間上與其他分區(qū)的運(yùn)行無任何關(guān)系。另外，通過虛擬中斷機(jī)制對I/O資源及異常進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中控制應(yīng)用的安全性和隔離性。

2.5 強(qiáng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

Intewell分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)是一款硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過以下方法保證實(shí)時(shí)性：

①調(diào)度算法：采取可搶占調(diào)度保證優(yōu)先級高的任務(wù)及中斷及時(shí)得到執(zhí)行和響應(yīng);根據(jù)時(shí)間調(diào)度表調(diào)度算法提供確定時(shí)間的調(diào)度方式;根據(jù)時(shí)間復(fù)雜度為O(1)的調(diào)度對象選擇算法，保證時(shí)間確定性。

②調(diào)度時(shí)機(jī)：在可能出現(xiàn)更高優(yōu)先級調(diào)度對象需要調(diào)度的時(shí)候及時(shí)進(jìn)行調(diào)度，比如調(diào)度對象狀態(tài)發(fā)生變化的API中的中斷處理等;另外，要保證使用原子操作進(jìn)行處理的時(shí)間盡可能短。

③基于硬件特性進(jìn)行實(shí)時(shí)性優(yōu)化：主要包括Cache的處理、禁止進(jìn)入系統(tǒng)管理態(tài)的處理、電源管理的處理、特殊I/O等的處理。

④提供全局時(shí)鐘同步：數(shù)控業(yè)務(wù)模塊同時(shí)在多個(gè)核心、多個(gè)分區(qū)中運(yùn)行。為了保障運(yùn)行時(shí)間段的同步，需要實(shí)現(xiàn)全局時(shí)鐘同步。操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全局時(shí)鐘，并對各個(gè)分區(qū)的時(shí)鐘進(jìn)行同步，在分區(qū)層建立統(tǒng)一的全系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)間的時(shí)間同步。

2.6 多系統(tǒng)間通信

可配置混合異構(gòu)系統(tǒng)包括若干個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)TTOS和一個(gè)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。通過虛擬網(wǎng)卡方式實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)系統(tǒng)間任意兩者的高速通信。通過SMIPC、共享內(nèi)存方式和虛擬中斷實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)實(shí)時(shí)TTOS之間的通信?？膳渲没旌袭悩?gòu)系統(tǒng)間的通信機(jī)制如圖4所示。

圖4 非實(shí)時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高速通信機(jī)制

①虛擬網(wǎng)卡：虛擬網(wǎng)卡由后端和前端組成，后端及前端基于共享內(nèi)存進(jìn)行通信。虛擬網(wǎng)卡建立各實(shí)時(shí)虛擬機(jī)間以及各實(shí)時(shí)虛擬機(jī)與外部設(shè)備間的通信連接，可以解決需要通過硬件設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)時(shí)虛擬機(jī)間的網(wǎng)卡共享問題，實(shí)現(xiàn)了各實(shí)時(shí)虛擬機(jī)間以及各實(shí)時(shí)虛擬機(jī)與外部設(shè)備間的通信連接。

②共享內(nèi)存：共享內(nèi)存是針對其他通信機(jī)制運(yùn)行效率較低的問題而設(shè)計(jì)的。共享內(nèi)存通信機(jī)制基于內(nèi)存映射機(jī)制將同一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域映射到不同的虛擬地址空間，對該段內(nèi)存區(qū)域的操作都是在同一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享以達(dá)到通信目的。在大量的數(shù)據(jù)傳輸需求上，可以實(shí)現(xiàn)零拷貝，從而達(dá)到高效的IPC通信。共享內(nèi)存機(jī)制只為虛擬機(jī)提供了用于實(shí)現(xiàn)通信的共享存儲(chǔ)區(qū)和對共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行操作的手段，在多核多線程高并發(fā)異構(gòu)系統(tǒng)中應(yīng)用對共享存儲(chǔ)區(qū)的訪問需要用戶保證數(shù)據(jù)的一致性。

③SMIPC：SMIPC抽象出總線、節(jié)點(diǎn)、端口的概念，提供面向套接字的通信方式。SMIPC是一個(gè)多虛擬機(jī)間通信層(IPC)，它使用共享內(nèi)存提供在上運(yùn)行的應(yīng)用程序之間交換消息。它提供一個(gè)類似套接字的API來簡化編程。SMIPC提供零拷貝功能接口，發(fā)送數(shù)據(jù)前通過接口從共享內(nèi)存中分配緩沖，發(fā)送時(shí)不再拷貝用戶數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存。

④虛擬中斷：虛擬中斷為分區(qū)提供中斷異常隔離機(jī)制，另外虛擬中斷也為分區(qū)間通信提供支持，虛擬中斷中的服務(wù)中斷為任意兩個(gè)TTOS提供通知機(jī)制。

3 結(jié)語

作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，操作系統(tǒng)是保證數(shù)控系統(tǒng)高速、高精、開放性與智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一，而現(xiàn)有國產(chǎn)操作系統(tǒng)不能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。Intewell工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為我國自主研發(fā)、實(shí)現(xiàn)單一物理設(shè)備能力的資源池化、設(shè)備綜合化的操作系統(tǒng)，使單一物理設(shè)備的業(yè)務(wù)能力可根據(jù)應(yīng)用需要靈活變化，同時(shí)還具備豐富的生態(tài)支持、高可靠性及強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)，使非實(shí)時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)充分融合，以解決數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用業(yè)務(wù)的若干瓶頸問題。