嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)一芃，李運(yùn)喜

（中航工業(yè)西安計(jì)算技術(shù)研究所 陜西 西安 710068）

隨著微電子、容錯(cuò)、軟件技術(shù)的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)已逐步從原有的體系結(jié)構(gòu)向綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)（IMA）發(fā)展，以提高未來飛機(jī)的作戰(zhàn)能力[1]。上世紀(jì)末，美國就已經(jīng)開始研制新一代飛機(jī)，并制定了滿足新一代飛機(jī)綜合化要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ARINC。其中，ARINC 653是美國航電委員會針對數(shù)據(jù)綜合化的要求提出的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。新一代飛機(jī)的航電系統(tǒng)將是高度模塊化、綜合化的，其操作系統(tǒng)需采用專用的航電實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在滿足綜合化要求以及保證實(shí)時(shí)性的前提下，對安全性要求非常高。在高安全性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中支持兩種運(yùn)行形態(tài)：系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。用戶態(tài)的程序在運(yùn)行過程中可能需要使用系統(tǒng)態(tài)的功能，由于跨兩態(tài)，用戶態(tài)的應(yīng)用不能直接調(diào)用系統(tǒng)態(tài)下的服務(wù)，因此需要使用系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制為用戶態(tài)的應(yīng)用訪問系統(tǒng)態(tài)的服務(wù)提供解決途徑。

筆者詳細(xì)討論了某嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制以及實(shí)現(xiàn)方法。

1 概 述

某嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是滿足ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)要求的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software structure diagram of an embedded real-time operating system

ARINC 653為保證IMA系統(tǒng)中運(yùn)行的多個(gè)航電應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)不相互影響，提出分區(qū)的概念。分區(qū)是IMA系統(tǒng)中的一組功能相關(guān)的應(yīng)用軟件，這些軟件在配置和執(zhí)行時(shí)作為一個(gè)單一的軟件來對待[4]。相當(dāng)于通用操作系統(tǒng)中的進(jìn)程，包含自己的存儲器，上下文以及配置屬性。分區(qū)OS運(yùn)行在用戶態(tài)，提供分區(qū)管理、分區(qū)間及分區(qū)內(nèi)通信、時(shí)間管理、進(jìn)程管理等功能。核心OS運(yùn)行系統(tǒng)態(tài)，提供任務(wù)管理、任務(wù)間通信、信號管理、系統(tǒng)調(diào)用管理等功能。位于用戶態(tài)下的程序不能直接訪問系統(tǒng)態(tài)下的服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制為應(yīng)用分區(qū)訪問核心OS的服務(wù)提供解決途徑，有效保護(hù)核心OS的安全[5-6]。

2 系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制

內(nèi)核提供應(yīng)用的服務(wù)需統(tǒng)一編號，使用表方式統(tǒng)一管理。當(dāng)用戶態(tài)的應(yīng)用需要調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)時(shí)，首先要執(zhí)行一組特殊的指令使系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)態(tài)，通過系統(tǒng)調(diào)用號查表得到函數(shù)的入口地址，執(zhí)行內(nèi)核服務(wù)，當(dāng)調(diào)用完成后，內(nèi)核將執(zhí)行另一組特征指令將系統(tǒng)返回到用戶態(tài)。這里將從系統(tǒng)調(diào)用號、系統(tǒng)調(diào)用表、系統(tǒng)調(diào)用生成及工作過程4個(gè)方面描述系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制。

2.1 系統(tǒng)調(diào)用號

核心OS為每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用定義一個(gè)唯一的編號，編號的定義方式如下：

#define__NR_函數(shù)名 X

其中，X代表系統(tǒng)調(diào)用號，系統(tǒng)調(diào)用號定義的部分代碼如下：

#define__NR_SysCallInit 1

#define__NR_RegisterDynamicLibrary 2

#define__NR_fstat 18

#define__NR_creat 19

#define__NR_hmEventDispatch 20

通過這個(gè)獨(dú)一無二的編號可以關(guān)聯(lián)到一個(gè)特定的系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)用戶空間的進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號就被用來指定要執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程不會提及系統(tǒng)調(diào)用的名稱。

系統(tǒng)調(diào)用號一旦分配且完成編譯，就不能有任何變更。

2.2 系統(tǒng)調(diào)用表

系統(tǒng)調(diào)用表（syscall_table）用于記錄各個(gè)系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)的入口地址，以系統(tǒng)調(diào)用號為偏移量能夠很容易在該表中找到對應(yīng)處理函數(shù)地址，部分代碼如下：

.long SYM（syscall_entry） /*0*/

.long SYM（SysCallInit） /*1*/

.long SYM（fstat） /*18*/

.long SYM（creat） /*19*/

.long SYM（hmEventDispatch） /*20*/

2.3 系統(tǒng)調(diào)用生成

核心OS內(nèi)的syscall.h文件中定義了所有核心OS提供給上層應(yīng)用的函數(shù)。通過編譯，系統(tǒng)生成系統(tǒng)調(diào)用號及系統(tǒng)調(diào)用表項(xiàng)，同時(shí)為每一個(gè)函數(shù)生成一個(gè)文件名為XXX_trap.c的文件，XXX代表函數(shù)名。該文件中記錄用_syscallN（）封裝后的函數(shù)。

應(yīng)用程序本身無法直接執(zhí)行內(nèi)核代碼，而是通過引發(fā)一個(gè)異常來促使系統(tǒng)切換到系統(tǒng)態(tài)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用處理程序_syscallN（），其中N表示參數(shù)個(gè)數(shù)，在X86體系結(jié)構(gòu)上支持函數(shù)最多帶5個(gè)參數(shù)，PPC體系結(jié)構(gòu)上支持函數(shù)最多帶7個(gè)參數(shù)。

在陷入核心OS時(shí)，_syscallN（）將系統(tǒng)調(diào)用號傳給核心OS。在PPC體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)調(diào)用號通過通用寄存器傳入，系統(tǒng)調(diào)用處理程序一旦執(zhí)行，可以從通用寄存器中獲得數(shù)據(jù)，以下為PPC體系結(jié)構(gòu)的_syscall2（）代碼片段：

#define_syscall2（type，name，type1，arg1，type2，arg2）

type name（type1 arg1， type2 arg2）

{

unsigned long__sc_ret；

{

register unsigned long__sc_0__asm__ （"r0"）；

register unsigned long__sc_3__asm__ （"r3"）；

register unsigned long__sc_4__asm__ （"r4"）；

__sc_3= （unsigned long） （arg1）；

__sc_4= （unsigned long） （arg2）；

__sc_0=__NR_##name；

__asm____volatile__

（"sc "

： "=&r" （__sc_3）

： "0" （__sc_3）， "r" （__sc_0），

"r" （__sc_4）

： __syscall_clobbers）；

__sc_ret=__sc_3；

}

__syscall_return （type）；

}

由上述代碼片段可以看出，系統(tǒng)調(diào)用帶有2個(gè)參數(shù)，分別通過寄存器r3和r4傳遞，系統(tǒng)調(diào)用號通過寄存器r0傳遞。

以打開文件函數(shù)creat（）為例，通過編譯后將生成creat_trap.c文件，該文件中記錄通過系統(tǒng)調(diào)用處理程序封裝后的creat（）函數(shù)。應(yīng)用程序調(diào)用creat（）時(shí)，實(shí)際就是通過執(zhí)行用_syscall2（）封裝后的函數(shù)從用戶態(tài)進(jìn)入系統(tǒng)態(tài)，完成系統(tǒng)調(diào)用功能。creat_trap.c文件中代碼片段如下：

_syscall2（T_WORD，creat，T_CONST T_BYTE*，name，T_WORD，mode）

2.4 系統(tǒng)調(diào)用工作步驟

系統(tǒng)調(diào)用的工作步驟如下：

1）保存所有當(dāng)前上下文（即用戶態(tài)上下文）；

2）應(yīng)用程序通過軟中斷方式通知核心OS需要執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。X86體系結(jié)構(gòu)上的軟中斷由int 0x80指令產(chǎn)生，PPC體系結(jié)構(gòu)上的軟中斷由sc指令產(chǎn)生。

3）引起0x0c00中斷（系統(tǒng)調(diào)用中斷），進(jìn)行異常處理，進(jìn)入核心OS；

4）判斷系統(tǒng)調(diào)用號是否合法，如果為非法系統(tǒng)調(diào)用號，則退出；否則根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號在系統(tǒng)調(diào)用表syscall_table中查找函數(shù)的入口地址，并跳轉(zhuǎn)到該地址。

5）執(zhí)行完畢后返回。

圖2以creat（）為例反映了系統(tǒng)調(diào)用的工作步驟。

圖2 系統(tǒng)調(diào)用工作步驟Fig.2 Work steps of system call

3 阻塞性系統(tǒng)調(diào)用

分區(qū)OS中的進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生阻塞性請求的時(shí)候，進(jìn)程因等待系統(tǒng)調(diào)用的返回而阻塞。當(dāng)分區(qū)OS中一個(gè)進(jìn)程阻塞的時(shí)候，將導(dǎo)致整個(gè)分區(qū)阻塞，影響應(yīng)用分區(qū)的正常執(zhí)行。為解決阻塞性系統(tǒng)調(diào)用帶來的問題，引入worker任務(wù)機(jī)制進(jìn)行處理。

3.1 worker任務(wù)

當(dāng)應(yīng)用請求了阻塞性的服務(wù)時(shí)，核心OS中將會啟動(dòng)相應(yīng)的系統(tǒng)任務(wù)來進(jìn)行應(yīng)用請求的操作，通過這樣的方法實(shí)現(xiàn)異步IO機(jī)制。這種為實(shí)現(xiàn)異步IO操作而創(chuàng)建的系統(tǒng)任務(wù)稱為worker任務(wù)。筆者將從worker任務(wù)創(chuàng)建、分派及清理3方面描述worker任務(wù)。

3.1.1 worker任務(wù)創(chuàng)建

每個(gè)分區(qū)可支持的worker任務(wù)數(shù)在配置數(shù)據(jù)中定義。在分區(qū)創(chuàng)建的過程中，將根據(jù)配置的worker任務(wù)數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，這些任務(wù)隸屬于對應(yīng)的應(yīng)用分區(qū)。所有創(chuàng)建的worker任務(wù)都處于worker任務(wù)空閑隊(duì)列中。

3.1.2 worker任務(wù)分派

分區(qū)OS根據(jù)調(diào)用的服務(wù)是否為阻塞服務(wù)決定是否分派worker任務(wù)，分派worker任務(wù)前，首先從可用的worker任務(wù)隊(duì)列中取得一個(gè)worker任務(wù)并激活該任務(wù)，將系統(tǒng)調(diào)用的方法交由worker任務(wù)處理，當(dāng)worker任務(wù)能夠獲得資源則直接處理，完成后發(fā)送系統(tǒng)調(diào)用完成的事件，否則worker任務(wù)將阻塞在等待的資源上，直到資源被釋放，方可啟動(dòng)運(yùn)行，并通知應(yīng)用分區(qū)。

3.1.3 worker任務(wù)清理

worker任務(wù)在處理阻塞性系統(tǒng)調(diào)用過程中，如果處于等待狀態(tài)，那么在應(yīng)用分區(qū)設(shè)置為IDLE模式、應(yīng)用分區(qū)重啟動(dòng)過程中，需要對未完成的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行刷新操作，在對系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行清理的同時(shí)，還需要對阻塞的worker任務(wù)進(jìn)行清理，將阻塞在資源等待鏈上的worker任務(wù)摘除，并停止worker任務(wù)的執(zhí)行。

3.2 worker任務(wù)處理機(jī)制

采用worker任務(wù)機(jī)制可以有效地解決應(yīng)用分區(qū)因阻塞性系統(tǒng)調(diào)用而無法繼續(xù)運(yùn)行的問題。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生阻塞時(shí)，啟動(dòng)worker任務(wù)去等待資源，而當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)用返回特定的狀態(tài)給應(yīng)用分區(qū)，應(yīng)用分區(qū)經(jīng)過狀態(tài)判斷，掛起分區(qū)內(nèi)相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程，從而產(chǎn)生進(jìn)程切換，執(zhí)行其他應(yīng)用進(jìn)程，當(dāng)worker任務(wù)等待的資源得到滿足時(shí)，則解掛worker任務(wù)執(zhí)行，并通過發(fā)送信號通知應(yīng)用分區(qū)阻塞狀態(tài)的解除。worker任務(wù)機(jī)制示意圖如圖3所示。

圖3 worker任務(wù)處理機(jī)制示意圖Fig.3 Schematic diagram of worker task processing mechanism

4 結(jié)束語

筆者深入研究了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用原理、參考國內(nèi)外先進(jìn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種有效的系統(tǒng)調(diào)用方法，解決阻塞性系統(tǒng)調(diào)用給分區(qū)正常運(yùn)行帶來的影響，保證分區(qū)的正常運(yùn)行。通過在某嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，文中涉及的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法是安全的、可行的、有效的。在今后的工作中，將著重于更進(jìn)一步提高系統(tǒng)調(diào)用的訪問效率及安全性方面的研究。

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