分區(qū)操作系統(tǒng)在火控領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

趙 剛，張 賓，張振華，薛建彬，鄭智健

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.解放軍駐207所軍代室，太原 030006）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及陸軍火控系統(tǒng)應(yīng)用的日趨復(fù)雜，新一代火控系統(tǒng)正向綜合化的方向發(fā)展，通過將運行于多個功能模塊的任務(wù)集中在少量的硬件模塊上實現(xiàn)資源共享，從而滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。但是，這樣使得不同關(guān)鍵級別的任務(wù)運行于實時系統(tǒng)的內(nèi)核管理下，面臨著以下不足：1）傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用單一的任務(wù)優(yōu)先級搶占的調(diào)度方法，無法避免高優(yōu)先級任務(wù)超時使用處理器資源導(dǎo)致其他任務(wù)無法拿到處理器使用權(quán)而應(yīng)用出錯；2）處于內(nèi)核態(tài)下應(yīng)用的越界訪問導(dǎo)致影響蔓延到整個系統(tǒng)，進而引起系統(tǒng)崩潰。

借鑒航電系統(tǒng)綜合化的成功經(jīng)驗，分區(qū)操作系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在高安全級別飛控單元與航電控制單元中[1]，本文基于某火控系統(tǒng)預(yù)研項目，通過使用分時分區(qū)的操作系統(tǒng)實現(xiàn)火控應(yīng)用的綜合化部署，以分區(qū)為調(diào)度單元確保分區(qū)間應(yīng)用安全隔離，為應(yīng)用綜合化部署提供調(diào)度支持。

1 操作系統(tǒng)概述

分區(qū)操作系統(tǒng)以分區(qū)的形式為應(yīng)用提供獨立的運行環(huán)境，通過將應(yīng)用的失效影響限制在確定的分區(qū)內(nèi)減少對全系統(tǒng)的影響，從而實現(xiàn)應(yīng)用綜合部署，其體系結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示：

圖1 分時分區(qū)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

通過圖1可看出，分區(qū)操作系統(tǒng)由運行在內(nèi)核態(tài)的CoreOS通過配置文件調(diào)度各分區(qū)，其余功能在分區(qū)內(nèi)實現(xiàn)，分區(qū)應(yīng)用通過APOS接口實現(xiàn)應(yīng)用程序與分區(qū)內(nèi)操作系統(tǒng)的隔離訪問，從而將應(yīng)用局限在分區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)應(yīng)用的安全隔離運行。

分區(qū)操作系統(tǒng)采用兩級調(diào)度的方式。CoreOS采用分區(qū)間周期輪轉(zhuǎn)的時間窗口循環(huán)調(diào)度，分區(qū)沒有優(yōu)先級，每個分區(qū)以主時間框架內(nèi)的時間窗口實現(xiàn)調(diào)度，在分區(qū)的調(diào)度時隙取得使用權(quán)，在分區(qū)時間耗盡之后交出資源使用權(quán)，保證了分區(qū)的時間確定性；分區(qū)內(nèi)由各自的分區(qū)調(diào)度規(guī)則進行任務(wù)的執(zhí)行[9]，如圖2所示。

2 分區(qū)操作系統(tǒng)的調(diào)度研究

在圖2所示的分區(qū)調(diào)度模型[3]中，每個分區(qū)在全局CoreOS看來就是一個個的時間窗口，在規(guī)定的時間窗口內(nèi)將CPU資源使用權(quán)分配給對應(yīng)分區(qū)。所以，確定分區(qū)k的資源分配αk及各分區(qū)的周期γk是分區(qū)調(diào)度的關(guān)鍵。

圖2 分區(qū)調(diào)度模型

針對靜態(tài)實時調(diào)度主流方法采用RMS（Rate Monotonic Scheduling）[4]的速率單調(diào)調(diào)度模型來驗證，分區(qū)k中n個實時任務(wù)組成的周期任務(wù)集∏=，使用（Ci，Ti，D）i表示任務(wù)周期有T1≤T2≤…Tn且周期越短任務(wù)優(yōu)先級越高，任務(wù)響應(yīng)時間為Ci，截止期限為Di。

將操作系統(tǒng)處理器資源做歸一化處理[10]，則各分區(qū)分時使用處理器資源，分區(qū)k取得資源使用率為 α（k∑αi≤1，i為分區(qū)數(shù)量），則處于分區(qū)k內(nèi)的任務(wù)其響應(yīng)時間為。根據(jù)文獻[7]使用RMS調(diào)度時可得周期任務(wù)的處理器使用率為βk≤n（21/n=1），n為任務(wù)數(shù)量，具體到分區(qū)k每個任務(wù)可得到處理器的響應(yīng)時間為，因此，分區(qū)內(nèi)m個任務(wù)的處理器使用率（m為分區(qū)k內(nèi)任務(wù)數(shù)量），可得分區(qū)k的處理器使用率應(yīng)滿足：

分區(qū)k的周期參數(shù)γk需要滿足分區(qū)內(nèi)最小不活動周期的時間要求，在（0，t]內(nèi)執(zhí)行i的累計運行時間為，可得分區(qū)內(nèi)任務(wù)i的最小不活動周期為，分區(qū)k的最小不活動周期為為分區(qū)內(nèi)任務(wù)），根據(jù)文獻[4]可證明在兩級調(diào)度模型的系統(tǒng)中，處理能力 αk的分區(qū)調(diào)度條件為 γ（k1-αk）≤B（αk），可得分區(qū)k的周期調(diào)度參數(shù)滿足：

3 基于分時分區(qū)操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程

在炮兵壓制武器某預(yù)研項目中，顯控子系統(tǒng)應(yīng)用通過資源共享部署運行在數(shù)據(jù)處理模塊上，運行的任務(wù)有周期響應(yīng)的控制類調(diào)炮應(yīng)用、人機交互類應(yīng)用及通用系統(tǒng)管理類應(yīng)用[8]。

軟件的綜合化部署，需要分區(qū)操作系統(tǒng)來管理應(yīng)用，操作系統(tǒng)采用北京科銀京成公司生產(chǎn)的道系統(tǒng)分時分區(qū)版（DeltaOS）作為驗證操作系統(tǒng)[11]，顯控子系統(tǒng)的多個功能應(yīng)用，按照對資源訪問的不同將他們放在不同的分區(qū)中，設(shè)計3個分區(qū)分別是控制分區(qū)、交互分區(qū)及管理分區(qū)，每個分區(qū)獨立地加載各自的分區(qū)操作系統(tǒng)及為應(yīng)用提供相應(yīng)的環(huán)境支持。

分時分區(qū)操作系統(tǒng)的軟件部署在基于傳統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)上需要對應(yīng)用合理分區(qū)，對分區(qū)內(nèi)應(yīng)用的運行參數(shù)（Ci，Ti，Di）進行分析，進而確定分區(qū)調(diào)度參數(shù)及總的時間調(diào)度參數(shù)，分區(qū)操作系統(tǒng)作為確定性的系統(tǒng)其分區(qū)的調(diào)度參數(shù)及任務(wù)的運行時限需提前規(guī)劃并固定，其開發(fā)順序是完成應(yīng)用開發(fā)，根據(jù)任務(wù)及分區(qū)規(guī)劃完成資源配置，滿足任務(wù)所需的空間和時間資源[14]，流程如圖3所示。

圖3 分時分區(qū)應(yīng)用開發(fā)流程

3.1 資源配置

顯控子系統(tǒng)按照訪問資源的不同設(shè)計分區(qū)[12]，分區(qū)P1放置人機交互應(yīng)用，分區(qū)P2部署控制類應(yīng)用，分區(qū)P3為系統(tǒng)管理類應(yīng)用，統(tǒng)計各分區(qū)內(nèi)周期性任務(wù)參數(shù)表如表1所示，其中Ci是任務(wù)執(zhí)行時間，Ti是任務(wù)的響應(yīng)周期，單位為毫秒（ms）。

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)，通過式（1）得到分區(qū)內(nèi)任務(wù)是否可調(diào)度，通過式（2）得到分區(qū)的資源分配αk，通過式（3）得到各分區(qū)的調(diào)度周期γk。

對分區(qū)P1中的任務(wù)進行RMS可調(diào)度性分析，使用式（1）可得：

表1 分區(qū)任務(wù)參數(shù)表

對于任務(wù) Task11：t1=C1=7＜T1，Task11可調(diào)度。

圖4 分區(qū)調(diào)度時間窗配置

3.2 系統(tǒng)測試

在多分區(qū)的測試中，可以借助分區(qū)操作系統(tǒng)中各設(shè)備分區(qū)獨占的特點，合理分配分區(qū)的調(diào)試輸出手段，配合VGA顯示輸出、網(wǎng)絡(luò)telnet交互及串口調(diào)試等手段實現(xiàn)多分區(qū)測試。

在完成分區(qū)內(nèi)與分區(qū)間的測試任務(wù)后，顯控子系統(tǒng)接入火控綜合架構(gòu)中組成一個完整的系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行集成調(diào)試，通過人機交互的任務(wù)入口，測試各功能項匹配的分區(qū)內(nèi)應(yīng)用執(zhí)行情況，實現(xiàn)在進行調(diào)炮等控制任務(wù)工作時，同時可以切換顯示界面等人機交互任務(wù)。

4 結(jié)論

本文通過研究分區(qū)操作系統(tǒng)的可調(diào)度條件，實現(xiàn)顯控子系統(tǒng)各任務(wù)的綜合化部署，既保證了高安全等級的強實時任務(wù)按預(yù)期的時間片取得執(zhí)行權(quán)，又不會超時占用系統(tǒng)資源，使得強實時系統(tǒng)上多任務(wù)調(diào)度變得可行，這些優(yōu)點是傳統(tǒng)強實時操作系統(tǒng)無法實現(xiàn)的，與當前的硬實時操作系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢，為火控應(yīng)用的綜合化部署提供有力的支持。