孟開元 閆方 曹慶年 彭寒

摘 要：機載操作系統(tǒng)屬于嵌入式實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)部內(nèi)核對象的狀態(tài)變遷、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的值變化以及系統(tǒng)調(diào)度運行狀況直接影響著機載應(yīng)用程序的正確執(zhí)行。本文以為機載應(yīng)用程序更好地定位故障、發(fā)現(xiàn)并排除各種邏輯錯誤為目的，采用內(nèi)嵌傳感器的方法，結(jié)合任務(wù)的狀態(tài)切換、觸發(fā)狀態(tài)切換，應(yīng)用ARINC 653仿真器實時監(jiān)控機載操作系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化。經(jīng)過測試，表明該系統(tǒng)可以得到機載應(yīng)用程序的狀態(tài)和行為變遷，并為機載應(yīng)用程序的運行時驗證、機載分區(qū)操作系統(tǒng)仿真器的符合性測試提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 機載操作系統(tǒng)仿真器;機載應(yīng)用程序;狀態(tài)變遷; 內(nèi)嵌軟件傳感器

文章編號： 2095-2163（2019）03-0110-04 中圖分類號： TP316 文獻標(biāo)志碼： A

0 引 言

隨著機載電子系統(tǒng)快速發(fā)展，機載操作系統(tǒng)作為學(xué)術(shù)界一個熱門研究方向，也一直都是技術(shù)研發(fā)上的亮點和難點[1]。機載操作系統(tǒng)研究和發(fā)展起源于二十世紀(jì)中葉，最初機載實時操作系統(tǒng)主要與軍事上需求緊密相關(guān)，但隨著計算機技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大，實時操作系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于人們生活中各個領(lǐng)域。然而無論是在嵌入式領(lǐng)域、還是在通用領(lǐng)域，對于操作系統(tǒng)實時性都有嚴(yán)格要求。如果機載操作系統(tǒng)的實時性不能滿足需要，將會帶來不可預(yù)測后果。因此，機載操作系統(tǒng)實時性能是衡量機載系統(tǒng)優(yōu)劣性的重要指標(biāo)[2-3]。本文針對實時機載操作系統(tǒng)安全性不斷提升這一項目任務(wù)，亟需對其任務(wù)狀態(tài)進行監(jiān)控和分析，為此專門探討和研究了機載操作系統(tǒng)仿真器任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控方法，設(shè)計和實現(xiàn)一個仿真器任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 ARINC 653操作系統(tǒng)仿真器原理

為了實現(xiàn)資源共享，采用IMA（Integrated Modular Avionics system）架構(gòu)的航空電子系統(tǒng)，軟件體系結(jié)構(gòu)采用了軟件分層的方法[4-5]。而具有代表性的綜合模塊化軟件體系架構(gòu)之一就是ARINC 653。如圖1所示，ARINC 653在應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、硬件之間建立標(biāo)準(zhǔn)接口，即APEX（Application/Executive）接口，并且提出了分區(qū)這一核心的概念[6-7]。

而分區(qū)是航空電子應(yīng)用的一種功能劃分。每個分區(qū)分別有4種模式：WAREM_START、COLD_START、IDLE、NORMAL[8]。而分區(qū)內(nèi)是以進程為一個執(zhí)行單元的。仿真器就是利用Windows線程仿真ARINC 653的進程，同時每個進程又各有4種狀態(tài)，即：運行態(tài)（RUNNING），就緒態(tài)（READY），休眠態(tài)（DORMANT）和等待態(tài)（WAITING）[9]。

本文通過分析機載仿真操作系統(tǒng)ARINC653源代碼，在任務(wù)狀態(tài)發(fā)生變化的關(guān)鍵位置處，插入監(jiān)控代碼，實時感知分區(qū)內(nèi)任務(wù)切換，根據(jù)代碼上下文判斷觸發(fā)任務(wù)切換事件類型;通過消息通道將此序列傳輸?shù)椒抡嫫魍獠匡@示界面并保存;完成對分區(qū)內(nèi)任務(wù)狀態(tài)-事件序列采集。實現(xiàn)了實時監(jiān)控機載操作系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化，實現(xiàn)了將機載操作系統(tǒng)中的分歧和進程狀態(tài)切換的信息接出來并發(fā)送到界面，從而在外部對系統(tǒng)內(nèi)部進行有效的監(jiān)控和研究。

2 系統(tǒng)總體框架

任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控工具的設(shè)計主要包括了監(jiān)控器模塊的設(shè)計、消息通道機制的設(shè)計和顯示界面模塊的設(shè)計三部分。系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

從圖2中可以看出，監(jiān)控器模塊是嵌入到ARINC653仿真操作系統(tǒng)中的，其通過內(nèi)嵌軟件傳感器將捕獲到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息打包后寫入到消息緩沖隊列中，然后通過一個工作線程不斷地將緩沖隊列的數(shù)據(jù)寫入消息通道;消息通道底層封裝了Windows的通信機制，將監(jiān)控器模塊寫入的數(shù)據(jù)傳遞到顯示界面;顯示界面模塊接收到消息后，先是對消息進行解析處理，此后將發(fā)送到界面顯示或者保存到日志文件中。

3 系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 監(jiān)控器模塊的設(shè)計

監(jiān)控器模塊的設(shè)計主要包括了4部分內(nèi)容：狀態(tài)事件的設(shè)計、內(nèi)嵌傳感器的設(shè)計、消息隊列的設(shè)計和工作線程的設(shè)計。這里對其中每一部分的功能設(shè)計可闡釋解析如下。

（1）狀態(tài)事件的設(shè)計。本文將分區(qū)和進程的每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換當(dāng)作一次觸發(fā)事件來處理，并給每個轉(zhuǎn)換進行了事件編號。

分區(qū)狀態(tài)事件主要依據(jù)分區(qū)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，即將分區(qū)狀態(tài)的每次切換進行了編號，具體的事件編號如圖3所示。

進程狀態(tài)事件主要依據(jù)進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，將進程狀態(tài)的每次切換進行了編號，具體的事件編號如圖4所示。

（2）內(nèi)嵌傳感器的設(shè)計。過程中采用了內(nèi)嵌軟件傳感器的方法監(jiān)控軟件。該方法采用狀態(tài)傳感器代碼記錄分區(qū)和分區(qū)內(nèi)任務(wù)的狀態(tài)切換，并用事件傳感器代碼記錄觸發(fā)本次狀態(tài)切換的事件;通過對機載操作系統(tǒng)仿真器的源代碼進行分析，共找到28處發(fā)生分區(qū)狀態(tài)以及任務(wù)狀態(tài)切換的位置，在狀態(tài)切換的位置上插入狀態(tài)傳感器代碼。內(nèi)嵌傳感器的設(shè)計主要包括了捕獲分區(qū)狀態(tài)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計和捕獲進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計。

（3）消息隊列的設(shè)計。由于仿真操作系統(tǒng)的分區(qū)和進程狀態(tài)切換比較快，而消息通道是一個進程間的通信機制，在傳送過程中會消耗大量的時間，這樣就導(dǎo)致了監(jiān)控器發(fā)送數(shù)據(jù)快，消息通道傳輸速度慢的情況。為了防止監(jiān)控到的消息被覆蓋或者丟失，專門設(shè)計了一個消息緩沖隊列來延緩這個速度差。同時，又考慮到重復(fù)利用緩沖隊列的空閑資源，本文使用環(huán)形隊列來實現(xiàn)消息緩沖隊列。消息隊列的設(shè)計圖如圖5所示。

（4）工作線程的設(shè)計。工作線程的主要作用是從消息緩沖隊列中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照設(shè)計好的格式進行打包，且將打包好的數(shù)據(jù)寫入消息通道中。工作線程的工作流程如圖6所示。

3.2 消息通道機制的設(shè)計

消息通道的底層使用了命名管道的方式進行進程間通信，為了節(jié)省系統(tǒng)資源，于是采用復(fù)用的方式，一個模塊只對應(yīng)一個命名管道（以模塊名命名），模塊中各個分區(qū)復(fù)用一個通道。由于在一個模塊中，同一時刻只會有一個分區(qū)在運行，就使得在某時刻，命名管道是被某一分區(qū)單獨使用，如此設(shè)計既節(jié)約了資源，又不會引起多個分區(qū)同時發(fā)送數(shù)據(jù)而引發(fā)的沖突。

3.3 顯示界面模塊的設(shè)計

顯示界面用來完成監(jiān)控信息的顯示、歷史信息的保存和回放等功能，其控件的布局如圖7所示。

從圖7可以看出，顯示界面主要分為3部分，即：上部分是界面的標(biāo)題和控制按鈕部分;中間部分是顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)化部分;下部分是事件顯示列表。

4 測試

本系統(tǒng)的測試平臺包括Microsoft Visual Studio2008和Microsoft Visual Studio2015，針對是否能夠成功監(jiān)控到機載操作系統(tǒng)仿真器任務(wù)執(zhí)行軌跡來展開研究，并且以狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的形式直觀地顯示在界面上進行測試。系統(tǒng)測試效果如圖8所示。

在一個模塊中配置一個分區(qū)，在該分區(qū)中創(chuàng)建2個進程，啟動分區(qū)后，這2個進程的狀態(tài)不斷切換，界面成功顯示預(yù)期的狀態(tài)-事件序列。

從測試結(jié)果來看，能夠成功監(jiān)控到機載操作系統(tǒng)仿真器內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，并且通過界面可以直觀地觀察到機載操作系統(tǒng)仿真器內(nèi)部的狀態(tài)遷移，及時了解到系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的一系列狀態(tài)遷移，可以更加方便地通過任務(wù)狀態(tài)軌跡對系統(tǒng)的內(nèi)部進行監(jiān)控。

5 結(jié)束語

在機載操作系統(tǒng)仿真器的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)狀態(tài)切換，及時觀察到當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)狀態(tài)切換軌跡，為機載應(yīng)用程序的測試和驗證提供支持。監(jiān)控到機載操作系統(tǒng)仿真器內(nèi)部任務(wù)狀態(tài)，能夠直觀地對外顯示出系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)狀態(tài)切換軌跡，進一步提高機載操作系統(tǒng)的可靠性，為機載應(yīng)用程序的測試和驗證提供了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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