詹景坤，王小輝，解春雷，仇公望，祝樹生，呂殿君（中國運載火箭技術研究院研發(fā)中心，北京，100076）

微內核實時操作系統(tǒng)在彈載綜合電子系統(tǒng)中的應用研究

詹景坤，王小輝，解春雷，仇公望，祝樹生，呂殿君
（中國運載火箭技術研究院研發(fā)中心，北京，100076）

針對導彈武器系統(tǒng)“綜合化、模塊化、智能化”的發(fā)展要求，隨著導彈武器功能與性能的日益強大、應用軟件日益增多，為了實現其密集計算和集中管理的新需求，提出了面向彈載綜合電子系統(tǒng)的微內核實時操作系統(tǒng)設計思想，操作系統(tǒng)作為軟件平臺實現應用軟件集成、調度和資源配置，為未來先進彈載綜合電子系統(tǒng)的設計與開發(fā)進行前期探索，為綜合化設計在工程上的應用積累經驗。

彈載綜合電子系統(tǒng)；微內核；嵌入式；實時操作系統(tǒng)

0　引言

彈載綜合電子系統(tǒng)是導彈武器系統(tǒng)的重要組成部分。它是一個由多系統(tǒng)、多環(huán)境、多任務和多資源構成的相互關聯、支持、集成和制約的復雜系統(tǒng)，是集合飛行控制、能源管理、任務管理、目標探測、導航、通信等軟硬件構成的綜合信息密集管理系統(tǒng)，具有多信息、多專業(yè)、多任務、多功能、多資源和多過程的復雜交聯的耦合特征，新一代彈載綜合電子系統(tǒng)將兼?zhèn)渚C合化、模塊化、網絡化、信息化、智能化、體系化、高精度、高可靠的技術特點。

隨著導彈武器系統(tǒng)正朝著綜合化、智能化和體系化的方向發(fā)展，彈載綜合電子系統(tǒng)逐步從分布式、聯合式架構向綜合化、高度綜合化方向演變，對彈載綜合電子系統(tǒng)的軟硬件架構也提出了顛覆性的改變。一方面，硬件資源平臺采用“多核CPU+多核DSP”為核心處理器的一體化處理架構，以滿足開放性、擴展性和柔性設計的應用需求，是適應未來新一代導彈武器系統(tǒng)的通用硬件處理平臺。另一方面，在通用硬件處理平臺的基礎上，引入基于微內核的嵌入式分區(qū)實時操作系統(tǒng)，實現對多任務、多應用軟件的統(tǒng)一集成、管理和調度，構建彈載綜合電子系統(tǒng)軟件處理平臺。

新型的“多核CPU+多核DSP”處理器架構突破了異構混搭多核分區(qū)操作系統(tǒng)、多模態(tài)密集計算并行編程框架、多級健康管理系統(tǒng)、模型驅動開發(fā)環(huán)境等關鍵技術，實現了彈載綜合電子系統(tǒng)信息的集中管理和密集計算，提高了應用軟件的運行效率、集成度和可移植性，將全面提升新一代導彈武器系統(tǒng)綜合化和智能化技術水平。

本文以微內核實時操作系統(tǒng)基于多核底層硬件資源上的高效應用為出發(fā)點，提出了基于微內核實時操作系統(tǒng)的軟硬件一體化設計思路和典型應用，為新一代導彈武器綜合電子系統(tǒng)的設計提供借鑒。

1　彈載實時操作系統(tǒng)及架構設計

彈載微內核實時操作系統(tǒng)是一種強實時、多任務、多應用的嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)。依托“多核CPU+多核DSP”處理器硬件資源平臺，充分利用CPU處理器作為控制/管理的優(yōu)勢和DSP處理器作為數據運算的優(yōu)勢，對彈載綜合電子系統(tǒng)軟硬件資源進行高效靈活配置。在操作系統(tǒng)運行過程中，任務作為系統(tǒng)獨立運行的基本單元，支持同時存在多個任務，并根據事先定義好的調度表規(guī)則內容實現任務的切換與調度。支持同時存在多個應用，通過應用層接口接入多個應用，并根據系統(tǒng)分區(qū)配置合理分配應用分區(qū)，利用時間片輪轉調度規(guī)則實現應用的切換與調度。

微內核實時操作系統(tǒng)采用層次化、結構化架構總體方案，如圖1所示。操作系統(tǒng)自頂向下由應用層、操作系統(tǒng)層、模塊支持層等組成。

應用層是用戶單獨開發(fā)的分區(qū)應用，該應用軟件運行在操作系統(tǒng)之上。在應用層開發(fā)的應用軟件，支持開發(fā)單一分區(qū)的應用，也支持開發(fā)多個分區(qū)的應用。一般而言。根據應用軟件的設計規(guī)劃，首選將應用軟件與分區(qū)建立一一對應關系。

操作系統(tǒng)層主要由核心操作系統(tǒng)、可配置組件等組成。操作系統(tǒng)層對下主要完成對系統(tǒng)運行的硬件資源的配置與管理，包括空間資源、時間資源、對象資源、設備資源等；對上主要完成對應用軟件的調度與管理，為應用軟件提供API訪問接口和可以使用的組件。

模塊支持層主要實現底層硬件與操作系統(tǒng)層之間的隔離，主要包括結構支持包、板級支持包、映射管理等內容。該層為操作系統(tǒng)的正常運行提供接口支持，為系統(tǒng)訪問的設備提供驅動支持。模塊支持層軟件與底層硬件平臺密切相關，需要針對性的為操作系統(tǒng)開發(fā)設計模塊支持層軟件、驅動等。

應用編程接口為操作系統(tǒng)提供分區(qū)應用可訪問的接口。操作系統(tǒng)提供應用調用的接口包括APEX接口、分區(qū)內擴展接口和可配置組件接口（含C運行庫接口、BIT管理接口、文件系統(tǒng)接口）。

模塊支持層與操作系統(tǒng)接口為支持操作系統(tǒng)的運行專門提供的一組接口，該部分接口涉及體系結構、映像管理與部署、故障處理等功能。

圖1　操作系統(tǒng)軟件層次結構圖

根據彈載綜合電子系統(tǒng)的功能需求，嵌入式實時操作系統(tǒng)的底層硬件資源平臺采用了異構混搭的多微內核（即“多核CPU+多核DSP”）設計架構。通過異構混搭多核分區(qū)設計，利用不同處理器對控制、管理、計算的優(yōu)勢分析，完成密集控制分區(qū)、密集計算分區(qū)和健康管理分區(qū)等功能分區(qū)的構建，實現分區(qū)間任務的安全隔離、可靠通信和分區(qū)內任務的實時調度。實時操作系統(tǒng)運行的異構混搭的底層硬件資源平臺設計架構如圖2所示。

圖2　異構混搭式底層處理器平臺架構

2　彈載綜合電子系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)設計原則

隨著彈載綜合電子系統(tǒng)功能和性能的大幅提升，引入實時操作系統(tǒng)是綜合化技術發(fā)展的必然趨勢。經過前期方案論證和設計分析，同時參考其它項目實踐驗證，實時操作系統(tǒng)雖與彈載綜合電子系統(tǒng)的硬件資源之間存在密切的關系，但實時操作系統(tǒng)作為軟件資源的集成、管理與調度平臺，在選型開發(fā)和集成設計時應遵循如下原則：

a）高質量設計原則。實時操作系統(tǒng)作為彈載綜合電子系統(tǒng)平臺軟件，選型設計中應優(yōu)先考慮保證平臺軟件運行的穩(wěn)定性和可靠性，對可能導致操作系統(tǒng)運行失效的場景進行充分考慮，并設計有效的預防和修復措施，能夠保證應用軟件的高效運行。

b）成熟化設計原則。設計中應盡量采用經過大量應用驗證的成熟產品或成熟技術，盡可能減少新研制或新開發(fā)的軟件模塊，盡量避免或減少對現有成熟技術的修改，若存在新研和修改的內容，需要完成相關驗證性試驗，以降低系統(tǒng)研制風險。

c）標準化設計原則。實時操作系統(tǒng)與應用軟件、底層硬件模塊接口應符合相關標準要求。平臺軟件在設計中產生的新研部分，應符合已有產品的接口要求，以保障操作系統(tǒng)的兼容性和可擴展性，提高系統(tǒng)的可維護性和保障性。

d）經濟性設計原則。實時操作系統(tǒng)應充分結合已有軟硬件資源，有針對性的開發(fā)設計，通過提高資源利用率、結合項目實際情況優(yōu)化設計策略和實現方式等手段，提升系統(tǒng)運行效率，以達到減少項目研發(fā)成本的目的。

3　微內核分區(qū)實時操作系統(tǒng)設計方案

3.1分區(qū)設計技術及應用。彈載綜合電子系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的模塊直聯架構方式，采用了綜合化、模塊化、構件化電子系統(tǒng)的設計思想和技術，其核心設計理念是利用單一的運算平臺來運行多個應用程序，以達到有效減少系統(tǒng)上的處理器數量，充分發(fā)揮處理器計算能力，減少系統(tǒng)對空間、重量、能源、備件等資源的需求。結合實際情況，彈載綜合電子系統(tǒng)應完成導航解算、飛行控制、飛行管理、時序管理、載荷數據流實時計算、圖像目標識別與處理、實時任務規(guī)劃、地形跟蹤/回避、協(xié)同作戰(zhàn)、突防對抗、故障檢測、健康管理等集中管理和密集計算的任務。

針對彈載綜合電子系統(tǒng)上述功能需求，根據信息耦合、處理器特點和歷史設計傳統(tǒng)等設計原則，通過頂層設計形成了八種彈載綜合電子系統(tǒng)應用軟件，基本上涵蓋了飛行管理應用（含時序管理、電源管理）、飛行控制應用（含導航解算、實時任務規(guī)劃）、任務規(guī)劃應用、攻防對抗應用（含協(xié)同作戰(zhàn)）、圖像處理應用、射頻綜合應用、系統(tǒng)測試應用、健康管理應用等應用設計框架。分區(qū)設計框圖如圖3所示。

圖3　彈載綜合電子系統(tǒng)分區(qū)規(guī)劃設計

微內核實時操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)級應用軟件集成、調度和管理平臺，通過分區(qū)設計技術，為各應用軟件規(guī)劃設計獨立運行分區(qū)，支持不同關鍵等級的應用程序互不干擾的、高效的、安全性和可靠性運行在微內核硬件平臺上。操作系統(tǒng)可以提供有效的分區(qū)間通信和分區(qū)內通信，如圖4所示。

圖4　各應用分區(qū)間/內通信機制

3.2密集計算技術及應用。針對彈載綜合電子系統(tǒng)密集計算需求，為了滿足高性能導彈平臺對海量數據、復雜任務和實時流處理要求，通過多核DSP陣列并行編譯技術，利用多模態(tài)并行運行時系統(tǒng)和分區(qū)調度內核實現與多DSP核及核間數據的高速交換，支持多路信號復雜解算、圖像壓縮和模式識別、彈上地形匹配、彈上導航解算、彈上實時彈道規(guī)劃的并行計算，解決了計算資源不足和資源整合復用的難題，并行計算總體架構如圖5所示。

圖5　密集計算分區(qū)的并行框架圖

3.3實時調度技術及應用。實時操作系統(tǒng)提供時間隔離保障機制，采用基于主時間框架的應用分區(qū)進行輪轉調度技術，通過調度表靜態(tài)定義每一分區(qū)的調度時間。操作系統(tǒng)將嚴格按照時間框架定義對分區(qū)進行調度執(zhí)行。任何分區(qū)，均在被調度時刻占有CPU資源，調度時間一到，都將被剝奪CPU所有權，從而保證任何分區(qū)的正常執(zhí)行。

彈載綜合電子系統(tǒng)飛行控制分區(qū)需要具備強實時的調度需求，即要求控制周期大不于10ms，如果其它的應用分區(qū)調度周期均大于該調度周期，那么在設計調度表配置時，需要采用以飛行控制分區(qū)作為強實時調度響應配置，同時順序循環(huán)調度各個分區(qū)的調度表設計方案。

分區(qū)調度表包含了一組具有先后順序的分區(qū)、每個分區(qū)的調度起始時間和每個分區(qū)的調度時長。綜合設計后給出了在36ms的主時間框架內，任一時刻系統(tǒng)CPU的所有權歸屬結果。

3.4故障診斷與輔助決策技術及應用

利用實時操作系統(tǒng)提供的三層次健康監(jiān)控技術，對健康管理分區(qū)應用軟件進行綜合設計，開展進程級健康監(jiān)控、分區(qū)級健康監(jiān)控和模塊級健康監(jiān)控設計。進程級健康監(jiān)控負責用戶故障診斷與進程級故障的處理；分區(qū)級健康監(jiān)控負責分區(qū)內故障診斷與分區(qū)級的故障處理；模塊級健康監(jiān)控負責系統(tǒng)各單元模塊的故障診斷與故障處理。三級故障診斷與健康監(jiān)控形成分層分布式的健康管理處理機制，根據就近原則首先由相應監(jiān)控模塊完成故障診斷和處理，如果某級別的健康監(jiān)控功能無法實現故障事件的處理，將報送到高一級的健康監(jiān)控模塊。

彈載綜合電子系統(tǒng)各組成單元自行完成運行狀態(tài)數據的采集、整理，各模塊狀態(tài)數據通過I2C總線發(fā)送至通用處理器核心模塊，通用處理器模塊將依據邏輯推理和綜合判斷等診斷算法，給出各模塊的工作狀態(tài)，并形成故障處理輔助決策信息。

4　結束語

微內核分區(qū)實時操作系統(tǒng)能夠有效管理彈載綜合電子系統(tǒng)硬件和軟件資源，是強大的多任務、多應用運行軟件平臺。在未來導彈武器綜合電子系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用，廣泛適用于多應用場景和綜合化系統(tǒng)環(huán)境。微內核實時操作系統(tǒng)在新一代彈載綜合電子系統(tǒng)中的應用與探索，改變了傳統(tǒng)分布式低能效的軟件實現架構，實現了彈載綜合電子系統(tǒng)硬件資源整合復用，以及彈載信息的集中處理，軟件運行效率和可靠性需求，實時操作系統(tǒng)有效降低系統(tǒng)軟件架構、設計、開發(fā)、測試、維護，提高應用軟件的可移植性。應用分區(qū)綁定、并行密集計算、故障診斷與輔助決策和等一系列關鍵技術，對新一代彈載綜合電子系統(tǒng)進行高度綜合化設計，將促進未來導彈武器系統(tǒng)跨越式發(fā)展。

［1］ 李化云.嵌入式實時操作系統(tǒng)在航天器軟件中的應用研究［J］.微計算機信息，2012，（8）， 73-74.

［2］ 宋征宇.嵌入式實時操作系統(tǒng)在運載火箭中的應用研究［J］.航天控制， 2013，（3）， 3-10.

［3］ 雷杰，文順安. 嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)在強實時系統(tǒng)中的應用［J］.戰(zhàn)術導彈控制技術，2002，（4），37-40.

［4］ 曹寧. 組合導航系統(tǒng)中實時多任務的軟件設計［J］. 導航，2007， （2）， 35-40.

［5］ 劉宗玉， 王瑋， 陳明， 田洪波. 綜合導航系統(tǒng)中的實時多任務軟件設計［J］. 計算機工程與應用， 2004， 40， （27）， 185-187.

［6］ 李林， 王向暉， 陶利民， 張猛. 航天器用實時操作系統(tǒng)設計［J］. 計算機測量與控制， 2012， 20（4）：1026-1028， 1032. （LI Lin， WANG Xianghui， TAO Li， ZHANG Meng. Type of Reali-Time Systems Designing Which Applied in Aeroships［J］. Computer Measurement&Control， 2012，20（4）： 1026-1028， 1032.）

The Application Study on Mirco-Kernel Real-Time Operation System in Missile-Borne Integrated Electronic System

Zhan Jingkun，Wang Xiaohui，Xie Chunlei，Qiu Gongwang，Zhu Shusheng，Lv Dianjun
（R&D Center， China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing，100076）

The development trend of the missle weapon system is “integration，miniaturization & intelligent”.With the powerful fuctions and more applications softwares of the missle weapon.In order to realize the strong requirement of the dense computation and centralized management，the paper puts forword to a new kind of design method which is applying the mirco-kernel real-time operation system in missile-borne integrated electronic system.The integration，schedule and resource allocation of application softwares can be realized by the operation system platform.which has done some preliminary exploration and has provided a good direction for applying integrated design technology to engineering.

Missile-borne Integrated electronic system；Mirco-kernel；Embedded；Real-time operation system

TP316.2

A

詹景坤（1981-），男，工程師，主要研究方向為電氣系統(tǒng)設計