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在嵌入式场景中虽然Linux已经得到了广泛应用但并不能覆盖所有需求例如高实时、高可靠、高安全的场合。这些场合往往是实时操作系统 的用武之地。有些应用场景既需要Linux的管理能力、丰富的生态又需要实时操作系统的高实时、高可靠、高安全那么一种典型的设计是采用一颗性能较 强的处理器运行Linux负责富功能一颗微控制器/DSP/实时处理器运行实时操作系统负责实时控制或者信号处理两者之间通过I/O、网络或片外 总线的形式通信。这种方式存在的问题是硬件上需要两套系统、集成度不高通信受限与片外物理机制的限制如速度、时延等、软件上Linux和实时 操作系统两者之间是割裂的在灵活性上、可维护性上存在改进空间。
受益于硬件技术的快速发展嵌入式系统的硬件能力越来越强大如单核能力不断提升、单核到多核、异构多核乃至众核的演进虚拟化技术和可信执行环境(TEE) 技术的发展和应用未来先进封装技术会带来更高的集成度等等使得在一个片上系统中SoC)部署多个OS具备了坚实的物理基础。
同时受应用需求的推动如物联网化、智能化、功能安全与信息安全等等整个嵌入式软件系统也越发复杂全部由单一OS承载所有功能所面临的挑战越来越大。 解决方式之一就是不同系统负责所各自所擅长的功能如Windows的UI、Linux的网络通信与管理、实时操作系统的高实时与高可靠等而且还要易于开发、部署、 扩展实现的形式可以是容器、虚拟化等。
面对上述硬件和应用的变化结合自身原有的特点嵌入式系统未来演进的方向之一就是 混合关键性系统(MCS, Mixed Criticality System), 这可以从典型的 嵌入式系统-汽车电子的最近发展趋势略见一斑。
二、相关实例 从openEuler Embedded的角度混合关键性系统的大致架构如上图所示所面向的硬件是具有同构或异构多核的片上系统从应用的角度看会同时部署多个OS/运行时例如 Linux负责系统管理与服务、1个实时操作系统负责实时控制、1个实时操作系统负责系统可靠、1个裸金属运行时运行专用算法全系统的功能是由各个OS/运行时协同完成。中间的 混合部署框架 和 嵌入式虚拟化 是具体的支撑技术。关键性Criticality)狭义上主要是指功能安全等级参考泛功能安全标准IEC-61508Linux可以达到SIL1或SIL2级别 实时操作系统可以达到最高等级SIL3; 广义上关键性可以扩展至实时等级、功耗等级、信息安全等级等目标。
三 、解决问题与发展前景
在这样的系统中需要解决如下几个问题 高效地混合部署问题如何高效地实现多OS协同开发、集成构建、独立部署、独立升级 高效地通信与协作问题: 系统的整体功能由各个域协同完成因此如何高效地实现不同域之间高效、可扩展、实时、安全的通信 高效地隔离与保护问题: 如何高效地实现多个域之间的强隔离与保护使得出故障时彼此不互相影响以及较小的可信基Trust Compute Base) 高效地资源共享与调度问题: 如何在满足不同目标约束下实时、功能安全、性能、功耗高效地管理调度资源从而提升硬件资源利用率
对于上述问题openEuler Embedded的当前思路是 混合关键性系统 部署 隔离 调度 , 即首先实现多OS的混合部署再实现多OS之间的隔离与保护最后通过 混合关键性调度提升资源利用率 具体可以映射到 混合部署框架 和 嵌入式虚拟化。 混合部署框架解决 高效地混合部署问题 和 高效地通信与协作问题 嵌入式虚拟化解决 高效地隔离与保护问题 和 高效地资源共享与调度问题。
