分区操作系统下的分区间通信的设计

摘 要： 分区操作系统是新一代综合化航电系统的基础， 提供时间分区和空间分区机制， 保证综合后的应用不会相互影响。 由于分区之间是隔离的， 为了实现分区之间信息的交换， 需要采用分区间通信方式进行数据交换。 在此分析了 分区操作系统软件结构以及 ARINC653 标准对分区间通信的要求， 着重讨论队列端口和采样端口的实现方法。 此外， 在此还提出了一种基于虚端口和虚分区的通信方法， 解决了分区内应用使用端口与模块内的设备以及和其他模块的分区进行通信的问题， 提高了 应用程序的可移植性。

关键词： 分区间通信； 队列端口； 采样端口； 虚端口

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013） 14?0058?03

Design of inter?partition communication under partitionoperating system

XU Xiao?guang， YUN Hai?shun， XING Liang

（Aeronautical Computing Technology Research Institute， Xi’an 710119， China）

Abstract： The partition operating system is a basis of newgeneration integrated avionics system. It supports timepartitioning and space partitioning mechanisms and ensures theintegrated applications， which will not affect each other. Becasueof isolation between partitions， the inter?partition communicationis required to exchange information between the partitions. Thesoftware structure of the partition operating system and therequirements that ARINC653 standard defines for inter?partitioncommunication are analyzed in this paper. The design methods of thequeuing port and sampling port are discussed emphatically. Inaddition， a communication method based on pseudo ports and pesudopartitions is also proposed in this paper. This method solve theproblem of partition applications which adopt ports to communicatewith equipments in the same module or partitions of other modules.This method improved the portability of application programs.Keywords ： inter?partition communication； queuing port ；sampling port； pseudo port

0 引 言

随着模块化、 综合化航空电子 IMA 系统的发展， 原先的联合式、 分散的各种航空电子子系统被集成到一起， 以减轻飞机系统的重量， 提高硬件资源利用率， 并提高未来飞机的作战能力。 为了适应模块化、 综合化航空电子 IMA 系统的需求， 美国航电委员会针对数据综合化的要求提出了应用程序接口标准 ARINC653[1]。 ARINC653 是目前满足综合化航电实时操作系统需求的主要操作系统规范， 其中最重要的是提出了分区的概念。 分区操作系统的空间和时间是相互隔离的， 分区间通信是分区之间实现信息交换的主要途径。

ARINC653 标准 PART1 的标准定义了采样端口和队列端口两类服务， 本文在介绍了分区间通信的概念的基础上， 着重阐述队列端口的原理、 设计和实现需要解决的主要问题， 及采用的关键技术。 第 1 节描述了分区操作系统的软件结构； 第 2 节对分区间通信相关概念及原理进行说明， 包括端口、 通道和消息等概念及之间的关系； 第 3 节描述队列端口、 采样端口和模块间通信的设计与现实； 第 4 节进行总结。

1 分区操作系统软件结构

符合ARINC653 标准的分区操作系统[2]通常采用的软件结构[3]如图 1所示， 分为 3 层， 应用层、 操作系统层、 硬件模块支持层。 应用层为综合后的航电应用， 应用位于分区之内， 时间和空间受限于分区[4] ， 应用运行于用户态； 操作系统包括分区操作系统作（PartitionOS） 和核心操作系统（CoreOS）， PartitionOS 是分区内资源的管理者驻留于分区内， 实现分区内的进程管理、 调度以及资源的调配[5]。 CoreOS 主要实现分区的管理、 调度， 分区间的通信、 系统的故障监控以及系统内的资源管理和设备管理。

2 分区间通信的原理

分区间通信[6] 主要由端口、 通道和消息组成。 分区间通信是通过端口发送和接收消息完成的， 消息由一个源端口发送给一个或多个目 的端口。 分区通过端口的直接互联实现了 间接互联。 通道提供了端口之间的互联机制， 每一条通道指明了发送消息的端口称和所属分区， 及接收消息的端口和所属分区。

在系统构建阶段， 通过系统配置文件对端口和通道等分区间通信所需的资源进行配置。 核心操作系统根据配置信息完成端口、 通道、 消息缓冲区的创建及消息传输机制的初始化。

图 2 端口、 消息与通道

在分区内使用端口时需要首先调用创建端口服务， 完成分区内端口对象创建， 实现与核心中通信资源的挂接。

通道定义了 一个源端口和一个或多个目的端口之间的逻辑连接关系，同时也定义了消息从源端口传输到目的端口的传输模式及特点。 在分区应用的配置文件中定义端口的各个特征， 在系统的配置文件还需要单独以（端口名称、 分区名称） 对的方式定义连接关系。 将端口和通道的信息组合放入一个数据结构中。

端口模式包括两种队列和采样两种， 主要区别如下： 采样模式适用于传输一般是相似且不断进行更新的数据消息。 系统不对消息提供排队机制， 在系统中仅有一个有效的消息缓冲区， 消息保留在缓冲区中直到被新发送的消息所覆盖。 分区可以随时发送消息给采样源端口， 或随时访问目的端口消息。

与采样端口相对比， 队列模式下适用于传输包含不同的数据的消息，且不允许消息发生覆盖， 消息一般情况下不允许丢失。 消息保留在源端口中直到发送成功， 或保留在目的端口中， 直到被应用端口成功接收。协议用于队列模式下， 如果通道上的目的端口多于一个， 且有目的端口 发 生 阻 塞 的 情 况 下 指 导 消 息 传 输 。 协 议 包 括 发 送 者 阻 塞（ SENDER_BLOCK ） 、 接 收 者 丢 弃 （ RECEIVER_DISCARD ） 和 不 适 用（NOT_APPLICABLE）。 SENDER_BLOCK 协议： 消息发送给通道上所有的目的端口。 如果任意一个目的端口满， 消息在发送端口的队列按照 FIFO 次序排队， 不再传输消息给目的端口中的任何一个端口， 直到目的端口都可以接收消息。 SENDER_BLOCK 协议的优点在于其不会丢失消息， 缺点是一个发送阻塞的目的端口会影响到其他目的端口。

RECEIVER_DISCARD 协议： 当通道上的一个目的端口满， 源端口将为此目的端口丢弃此消息， 并通知此的目的端口消息溢出。 RECEIVER_DISCARD协议的意义在于避免了一个端口发生错误影响其他端口的情况， 缺点是可能因为没有及时接收消息发生消息丢失。 协议是整个通道上范畴内的属性， 因为一条通道有且仅有一个源端口， 故在实现时将协议信息保存源端口的数据结构中。 目的端口配置的协议为 NOT_APPLICABLE。

3 分区间通信的设计

3. 1 队列端口设计

通过队列源端口发送消息时， 应用请求发送的新消息被暂时存储在端口的消息队列中。 若从队列端口接收消息， 接收端口队列中最早到达的消息将被从消息队列中移除， 返回给应用软件。

当进程向消息队列已满的队列端口发送消息， 或进程从一个消息队列空的队列端口中接收消息时， 进程需要进行等待， 此时会发生进程的重新调度。 通过设置超时时间， 可以限制等待时间或不等待。 对于队列模式下的端口， 进程可以按照先进先出（FIFO） 或者基于优先级（Priority） 进行排队等 …… 此处隐藏：4260字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……