机电管理计算机分区实时操作系统IO访问设计

白 曦，张 鹏

（西安航空计算技术研究所，西安 710068）

综合化大大提高了机电系统的SWaP[1]目标，分区操作系统是机电系统综合化的基础软件，应用十分广泛，分区操作系统的两态管理机制对应用软件访问IO设备带来了困难。

1 分区操作系统概述

嵌入式实时分区操作系统是基于分区的高安全、高可靠操作系统，符合ARINC653接口，为综合化系统中应用软件的开发提供分区、调度、通信、故障监控等功能。典型产品包括：风河公司的VxworksAE653操作系统[2]和国产天脉操作系统。

2 分区操作系统IO访问模型研究

通常的嵌入式实时操作系统，比如Vxworks5.5操作系统，全部软件均位于核心态，具有最高的执行权限，允许访问包括IO在内的任意资源，其优点在于系统运行方式直接、IO访问效率较高，其缺点是系统平台层面缺乏安全性健壮性保护机制，任意地方一旦出现故障，将会导致整个系统的完全崩溃。为了解决这一问题，国外提出了分区实时操作系统。

分区操作系统通过采用时间分区和空间分区隔离机制，保证了系统在时间和空间资源访问上的确定性。分区操作系统的空间隔离机制实现了分区和核心、分区和分区之间的隔离。在分区实时操作系统下，应用软件对IO设备的访问通常存在三种典型的方案：

方案1：“驱动软件+核心系统调用桩+系统调用接口+分区系统调用桩+驱动接口”。在核心操作系统中对驱动软件进行封装，以适配专用系统调用接口的形式要求，完成驱动系统调用的注册，即核心驱动软件桩。在分区中，调用专用的系统调用接口实现驱动接口形式的恢复，即分区驱动软件桩。由于该变换过程比较机械化，在一些比较成熟的操作系统中，比如VxWorksAE653中，将要导出的接口描述在文件中，通过专用工具自动生成分区驱动软件桩和核心驱动软件桩。

方案2：“驱动软件+驱动设备化+设备管理+分区驱动调用桩+驱动接口”。本方案与方案一类似，差别在于不使用专用系统调用扩展接口，而是将驱动接口封装为设备管理接口，将驱动软件以设备形式注册仅设备接口，采用使用设备管理标准接口open、close、read、write接口访问驱动软件，而这些接口在分区中通常是提供的。

方案3：IO空间映射方案。由于分区应用无法直接访问IO物理地址，因此，可以使用IO映射方式，在分区中为设备配置逻辑地址，驱动软件在分区中直接通过逻辑地址访问IO设备，由MMU完成逻辑地址向硬件地址的自动转换，应用软件访问逻辑地址即物理地址。

三种方案在目前的应用中均有大量采用，方案1和方案2的优点在于驱动软件位于核心操作系统，可以对实现设备的集中统一访问管理，缺点在于需要开发大量支撑软件；方案2和方案1相比，由于共享复用系统调用接口，在多个供应商进行驱动集成和维护时，存在相互影响。方案2允许不同供应商将不同驱动软件虚为不同设备进行管理，具备较好的独立性，但是由于最大设备数目有限，因此，也不可能对无限数量的驱动软件设备进行管理，方案3的优点在于实现简单，缺点在于多个分区对同一个设备的共享访问缺乏软件层面的集中统一管理。

3 机电管理计算机分区实时操作系统IO访问设计

本文设计的机电管理计算机，其功能为周期采集外部设备硬线信号和RS422总线信号，进行数据处理后，通过GJB289A总线将状态信息上传给上位机。因此，本方案应用软件设计了两个分区：IO分区和数据处理分区，IO分区负责采集外部交联设备的硬线信号及RS422总线数据，转交给数据处理分区，接收数据处理分区处理结果转发给IO分区，IO分区通过GJB289A总线节处理结果上传给上位机设备。

为了提高驱动软件的可移植性，并满足分区操作系统的分层要求，本文采用方案1：驱动软件+核心系统调用桩+系统调用接口+分区系统调用桩+驱动接口实现。本文以获取CPU模块温度接口为例，介绍机电管理计算机分区实时操作系统IO访问方法，该方法分为以下几步：

（1）在核心操作系统驱动程序中，实现获取CPU模块温度测量函数接口如下：

（4）在应用程序IO分区中调用驱动函数接口sysGetCPUT-emp（）获取CPU模块温度。

4 结束语

针对分区实时操作系统的IO设备访问困难，本文对比研究了三种典型的IO访问模型，在机电管理计算机分区实时操作系统IO访问设计中，综合考虑了各种因素，使用“驱动软件+核心系统调用桩+系统调用接口+分区系统调用桩+驱动接口”方案，解决了分区操作系统下IO访问问题，联试结果表明，系统运行正确稳定，满足了设计要求。

[1] 李运喜，何翔.符合ARINC653的多核操作系统任务调度研究[J].航空计算技术，2017-9，108.

[2] 张明，周琳.基于VxWorks653分区操作系统的IMA设计与实现[J].火力与指挥控制，2014-4，146.