机载平台多核虚拟分区处理系统技术方案

本发明专利技术提出一种机载平台多核虚拟分区处理系统，旨在提供一种能够增强航电系统集成度，提高处理效率，降低系统功耗的多核虚拟分区处理系统。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。

【技术实现步骤摘要】
机载平台多核虚拟分区处理系统
本专利技术涉及一种适用于机载平台的多核虚拟分区处理系统的实现方式。
技术介绍
系统单芯片SoC处理器都集成了一系列的核心、加速器和其它处理单元。这些异质的多核架构提供了更多的计算能力，但其复杂性也为各种应用中嵌入系统的开发人员带来了新的挑战。多芯片架构中最大的设计挑战之一是用某种方式的分区工作，以将资源需求平均地分配给所有处理器。在基于软件的虚拟化中，这个过程可能非常耗时，为设计人员增加了负担，包括高效管理空闲内存池的挑战。另外，软件的任何修改都可能为资源需求带来变化，这就需要开发人员重新划分系统分区。非对称和对称多处理器架构都有很多这类问题。多核环境中并发、资源共享和任务迁移等特性,导致分区操作系统的安全关键任务调度存在较大的不确定性。在一个传统架构中，处理器通过一个软件层，管理着自己对共享资源的访问。随着处理数量的增加，资源共享的复杂性也在增长。基于软件虚拟化的一个缺点在于，它为数据包存储以及接下来数据包获取的每个事务都引入了一个开销。这种开销消耗了处理器周期，为代码处理带来了复杂性。它还给虚拟化软件带来了带宽管理和满足预订保证的负担。即使通过工具实现了虚拟化代码的自动化创建，开发者仍然必须在应用交互通过虚拟化代码时，进行查错调试。随着处理器数量的增长，资源共享的复杂性与开销也在增加，虚拟化增加了开销和复杂性，限制了多核SoC的使用。在基于软件的资源共享实现中，一个损坏的应用可能忽视自己的带宽配额，而去独占一个共享资源。同样，如果掌控虚拟化的处理器损坏，则队列机制就会失效，使整个系统宕机。高性能多核处理器和虚拟化技术的出现为实现资源综合带来了希望。将并行处理机结构中的多处理机节点的功能集成到同一个多核处理器芯片内，并通过虚拟化技术对各个功能进行隔离保护，是实现航电系统深度综合化、高性能处理、高可靠性、高安全性的有效技术手段和途径，是未来航电系统核心处理能力发展的关键技术。随着用户对机载平台电子系统或电子整机的高度综合化要求不断提升，航空电子系统体系结构的发展经历了分立式体系、联合式体系、综合模块化(IMA)航空电子体系等阶段，机载航电系统正朝小型化、轻型化、低功耗、高可靠性、高安全性方向发展。目前，机载电子系统已经朝着综合化、模块化方向发展,支持分区的机载操作系统开始大量采用分区操作系统成为航空电子计算机操作系统的必然选择。分区操作系统经过宏内核结构、微内核结构,正在向微内核虚拟化的方向发展。目前最常见的支持多核处理器平台的操作系统体系结构有对称多处理.构架和非对称多处理甈构架两种。这两种操作系统的结构、代码和数据区的分配方面差别很大。分区在多核上的部署有分区间并行和分区内并行,分区间并行即每个分区部署在在不同处理器核上,分区在时间上并行运行。分区内并行即每个分区部署在所有处理器核心,分区内任务在时间上并行运行。一个分区在一个或多个核上激活,每个分区都在对应核上运行。这种方式下多个分区间并行执行。同一时刻所有分区同时运行在各自对应和核上。经过多年的发展，国内外研究人员在多核处理技术和虚拟化分区处理技术方面积累了一定的研究成果，但是从应用场景来看，现有多核处理技术、虚拟化分区处理技术还存在许多不足，主要包括：1、多核处理技术还未广泛应用于机载航电系统。一方面，机载平台的航电系统的主流仍采用模块堆叠的DIMA分布式综合模块化构架。另一方面，即使是采用多核处理器的航电设备往往只是利用了多核处理器中的单核处理，并没有将多核处理器的优势充分发挥出来。系统开发者需要根据系统所实现的功能及性能要求，以及对外通信接口种类、数量、速率及协议要求等，评估出对多核处理器性能要求，包括处理器指令执行速率，工作频率，存储系统数据传输速率，对外通信接口的接口类型及速率等指标要求，以此来确定要开发的嵌入式系统的多核处理器选型。系统开发者需要从功能实现的角度，综合考虑功能的性能要求、占用的硬件资源等因素。2、多核处理技术与虚拟化技术没有结合。目前正在部署应用的多核处理技术主要包括对称多处理SMP和非对称多处理AMP，还没有在多核处理之上应用虚拟化技术，实现对底层硬件资源访问时的互相隔离，各个内核之间耦合度高，一旦一个进程出现故障会导致进程间的关联故障，最终导致整个处理器崩溃，降低了系统的可靠性。3、没有有效的I/O管理和HM健康管理手段。目前的机载航电设备虽然有接口控制管理、健康管理等功能，但是这些管理功能的进程跟用户应用功能的进程在执行时交联在一起。一旦用户应用功能的进程出现异常，这些管理功能也将随之受到影响，无法起到真正有效的作用。4、不支持多用户协同开发的条件，系统联试效率较低。目前采用SMP和AMP多核处理的机载航电设备在同一时间仅支持一个用户在硬件平台上进行开发，不便于系统联试，导致效率较低，联试耗费时间与用户数量之间成指数级增长。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对以上描述的现有机载平台多核虚拟分区处理技术的不足，提供一种能够增强航电系统集成度，提高航电系统处理效率，降低航电系统功耗，提高航电系统的可靠性和安全性的机载平台多核虚拟分区处理系统。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到，一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区，其特征在于：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。本专利技术具有如下有益效果：增强航电系统集成度。本专利技术采用一个统一的核心操作系统软件，运行在多核处理器的硬件平台上，多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述四个相互独立系统，4个层级实现多用户协同开发功能，支持多用户协同开发的条件，减小设备体积和重量，降低设备功耗，增强了航电系统的集成度，克服了现有技术不便于系统联试，联试效率较低的缺陷。本专利技术的小型化、轻型化、低功耗的优点主要体现在专利技术采用先进工艺的多核处理器结合虚拟化分区处理技术，把系统功能划分成若干个子功能，各子功能相互独立，且每个子功能单独分配在一个虚拟分区中运行。这样就大大提高了机载航电系统的集成度，减少了机载航电系统在进行综合模块化设计时的模块数量，从而实现航电系统减小体积、减轻重量和降低功耗。提高系统联试效率。本专利技术利用了多核处理器，在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统MOS运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应若干个用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互。完成对各分区的独立访问，为用户提供独立调试作业的功能，构建多用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区，其特征在于：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。

【技术特征摘要】
1.一种机载平台多核虚拟分区处理系统，自底向上包含多核处理器硬件平台、核心操作系统、分区操作系统和I/O管理分区管理系统，4个相互独立的层级分区，其特征在于：多核处理系统将整体功能划分成若干个相对独立的子功能，再把每一个子功能分解和划分到若干个独立的分区，确定分区数量和各个分区需要实现的功能；多核处理器硬件平台通过核心操作系统连接分区操作系统、I/O管理分区管理系统和运行在上述相互独立的若干个分区之上的用户应用程序；在多用户共享同一硬件平台的基础上，核心操作系统运行虚拟机，并在虚拟机上运行分别对应用户分区和3个管理分区的分区操作系统，I/O管理分区管理系统所共用的外设网口，根据数据传输协议对数据解析，用户分区通过分区间端口通信的方式与I/O管理分区交互，用户使用共享接口完成对各分区的独立访问。2.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核处理器硬件平台包括物理实体的多核处理器器件、多核处理器内部丰富的运算资源，以及和外部相连的存储资源器件和接口资源器件，这些硬件资源构成一个典型的嵌入式系统。3.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：多核处理器包含其内部的若干个内核和实现指令执行的运算资源；外部的存储资源为处理器内核的运算提供指令和数据的存储空间，接口资源为多核处理器提供与外部设备进行数据交互的通道。4.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：核心操作系统包含运行在多核处理器上的底层MOS(moduleOS)和上层POS(partitionedOS)，MOS中运行系统监管软件虚拟机，加载所有虚拟机客户端，同时为虚拟机分配内存、磁盘和网络。5.如权利要求1所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：分区操作系统包含运行在虚拟机上的上层POS和提供给对应I/O管理分区管理系统若干个应用程序的API接口。6.如权利要求5所述的机载平台多核虚拟分区处理系统，其特征在于：I/O管理分区...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘皓，陈卓立，范坤，刘维，吕燚，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51