高可靠嵌入式实时操作系统的研究与实现

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1、1绪论1　绪论1.1　高可靠系统概述系统中出现故障时会导致非常严重的后果，如人类生命的失去、对周边环境严重以及大面积的破坏、巨大的财政损失等，伴随着的是相关提供商厂家（硬件、操作系统、应用）的一蹶不振，因而引入高可靠系统是很必要的。其相关的应用领域主要包括：z军事领域，包括武器系统、战斗机系统等；z工业控制领域，如与有毒气体相关的控制领域，以及特定的机器人设备控制；z运输控制领域，包括无线遥控系统，如自动驾驶航空电子、自动驾驶汽车火车控制系统、交通安全监控系统等；z通讯控制系统，包括120急救传呼系统、救护车派遣系统等；z医疗

2、控制系统，包括放射医疗设备控制、医疗状况监控系统等；z原子设备系统。从以上领域可以看出，高可靠系统很多情况下也是实时系统[1]，当然，非实时的高可靠系统也存在，比如武器储藏系统，在本论文中的高可靠系统指的是实时嵌入式系统。引进软件高可靠[2][3]的概念原因之一是，计算机软件相对比传统的机械设备控制更难把握。传统的机械设备控制属于连续数学工程类，已经具有相当成熟的理论及经验供参考，而计算机软件领域属于离散数字数学工程类，其理论还远远没到成熟的地步，并且传统的理论不能生搬硬造到计算机软件：计算机软件中一位数字的改变就可能导致系统

3、的崩溃，所以根本不能穷尽软件的全部运行状况进行测试。计算机软件的高可靠实际上很难测试，在航空领域，基本要求是一个小时出现的故障数为10-9次，而软件可测试指标只在相应的10-4次，所以需要执行各种手段增强系统的可靠性，例如硬件、软件的冗余实现；在开发阶段遵从一些安全认证（如DO-178B安全认证）；使用遵从相关领域规范（如航空ARINC标准）以及相顾草案（ASAAC[4][5][6][7]软件草案）的软件；遵从一些约定俗成的开发方法规定等等。比如只使用经过久经考第1页1绪论验的软硬件技术，不能太依赖于技术和工具，对开发者进行约

4、束以及规范，不能太相信软件的可重用行，软件更新时如要对全部组件进行测试；文档齐全但需去除不必要的注解等。计算机软件在高可靠系统中的应用近二十年来发展迅速，其主要的原因是装备计算机软件可以带来许多好处。主要是功能强大，低功耗，开发周期短，升级方便，可以带来巨大的经济节省或效益，比如，自动驾驶航行器中配置计算机软件可以节省硬件成本以及航行中的燃料节省。在航空电子领域，美国联邦航空管理部门（FAA）为航空工业提供软件生命期和测试指导制定了RTCA/DO-178B安全标准。作为强制性标准之一，它包含66条强制标准，对于每条标准，航空设

5、备制造商必须严格达到认证要求，在计算机软件开发方面，主要包括广泛的文档材料，描述软件生命期数据、工程过程、以及为了达到RTCA/DO-178B发布的“航空系统和设备认证的软件标准”中指出的目标。另外，为了增强系统的可靠性，除了通过传统的硬件互锁及冗余外，软件系统的冗余同样是常用的手段之一。但仅仅如此显然不够，在节约成本的大前提下，众多应用软件的集成必不可少，其系统的复杂度必然大大提高，必需使相关应用之间的关联性降至最低，也即其中一种应用模块发生故障不影响其他应用模块的崩溃，所以高可靠系统的顺利实现必然需要一种实时操作系统框架，

6、该框架能够充分利用系统的MMU保护技术实现系统的高可靠性。本文以综合化航电系统为应用，对高可靠嵌入式操作系统展开研究。1.1　ARINC653简介1997年1月，美国制定了综合化[8]、模块化航空电子应用软件标准接口（AvionicsApplicationStandardSoftwareInterface）（简称ARINC653[9][10])，为综合化航空电子操作系统的需求进行了定义，并明确了应用软件与操作系统、操作系统与底层硬件的接口标准，并着重提出基于时空域的分区（Partition）操作系统思想，即一个模块中可以同时运

7、行多个虚拟分区，分区的运行时间以及使用的存储空间事先进行约定，运行时分区互不干扰，另分区本身也是一操作系统。ARINC653主要包括分区管理、时间管理、分区内进程管理、进程间通信、分区间通信方式、分区健康性监控技术、蓝图配置技术等。分区是ARINC653的一个核心概念，是航空电子应用中是一种功能划分。将运行在关键模块上的多个航电应用按功第2页1绪论能相互独立地进行划分，划分的单元即分区。分区内每一个执行单位称为进程。每一个分区都有独立的数据、上下文关系和运行环境，优点是能够防止一个分区的错误影响到其他分区，并可使得整个系统容易

8、验证和确认。1.1　嵌入式实时操作系统技术嵌入式实时操作系统技术的发展分四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，没有多任务操作系统的支持；第二阶段嵌入式CPU为基础、以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统为支持，这一阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用