一種嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)下的NVRAM管理機制

景月娟，彭寒，劉洲洲，張曉麗

（西安航空學院計算機學院，陜西西安 710077）

嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)廣泛應用于當代航空電子系統(tǒng)，是支撐航電系統(tǒng)向綜合化、集成化方向發(fā)展的基礎(chǔ)平臺軟件，如國產(chǎn)的天脈2（ACoreOS）[1]以及美國WindRiver 公司推出的VxWorks AE653 操作系統(tǒng)[2]。嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)提供了高安全性、高可靠性的多分區(qū)調(diào)度和管理機制，確保應用系統(tǒng)的安全運行。

非易失性隨機訪問存儲器(Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM)是一種特殊的存儲介質(zhì)，其兼有內(nèi)存的高速讀寫特性和在掉電情況下仍然保持數(shù)據(jù)完整不丟失的特點[3]。

該文研究了一種NVRAM 的管理機制，規(guī)避了存儲器訪問越界和沖突的風險，有效提高了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

1 常規(guī)多分區(qū)訪問NVRAM機制

在嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)中，NVRAM 能滿足實時系統(tǒng)的實時性訪問以及從持久化存儲的數(shù)據(jù)快速恢復的要求，但是NVRAM 提供的原生訪問接口通過絕對物理存儲地址進行數(shù)據(jù)讀寫，將地址完全暴露給接口調(diào)用者。上層應用程序直接以絕對地址訪問NVRAM，存在存儲器訪問越界的風險，進而會造成軟件運行錯誤甚至系統(tǒng)失效。

在嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)平臺下，各分區(qū)在訪問NVRAM 時，每個分區(qū)必須確認其與他分區(qū)之間是否存在地址沖突。

常規(guī)的NVRAM 訪問機制是通過一個公共資源配置表（如圖1 所示），實現(xiàn)了各分區(qū)可訪問的NVRAM 地址段的全局定義，應用層可按照配置分配的地址段進行NVRAM 的讀寫，即直接訪問對應的NVRAM 絕對物理地址。

圖1 常規(guī)多分區(qū)訪問NVRAM機制示意圖

常規(guī)多分區(qū)NVRAM 訪問機制依賴公共資源配置的正確性和NVRAM 訪問的合規(guī)性，實際應用中存在以下隱患：

1）當分區(qū)內(nèi)存在多個應用訪問NVRAM 時，公共資源配置表和操作系統(tǒng)未提供分區(qū)訪問NVRAM保護機制，如果訪問地址之間存在地址重疊，將引發(fā)資源訪問沖突，導致不可預料的錯誤；

2）如果在應用層增加相關(guān)設(shè)計避免訪問沖突，會增加應用層軟件的復雜度。

為了解決上述問題，提出一種NVRAM 管理機制，實現(xiàn)了各分區(qū)應用對NVRAM 的互斥訪問和越界保護。

2 NVRAM管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了解決以絕對地址訪問NVRAM 時產(chǎn)生的問題，在常規(guī)NVRAM 訪問機制基礎(chǔ)上，增加了NVRAM代理管理層[4-5]，如圖2 所示，NVRAM 代理管理層的主要職責是對訪問的地址進行校驗，同時對可訪問的地址空間進行有效性判斷。

圖2 增加NVRAM管理機制后的示意圖

圖3 為嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)NVRAM 管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即在模塊支持層之上增加NVRAM 代理管理模塊，以隔離應用層對NVRAM 物理地址的直接訪問，由NVRAM 管理模塊統(tǒng)一管理NVRAM 存儲空間的分配，透明化NVRAM 的管理機制，應用層不再關(guān)心存儲器的空間管理[6]。

圖3 嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)NVRAM管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 NVRAM管理機制設(shè)計

3.1 配置參數(shù)

NVRAM 管理層負責存儲器的管理[7]。NVRAM是一個獨立的存儲設(shè)備，具有連續(xù)的存儲空間，NVRAM 管理層可將其分成多塊存儲區(qū)，每塊存儲區(qū)域以字符串表示其存儲區(qū)標識，如圖4 所示，存儲區(qū)標識默認使用初次注冊時定義的字符串名稱，字符串名稱需定義最大長度SIZE，存儲區(qū)標識存儲于注冊的NVRAM 存儲空間地址起始位置。

圖4 NVRAM空間存儲說明

NVRAM 管理層通過配置信息實現(xiàn)存儲器的管理。配置信息通過應用層的注冊申請生成[8]。配置參數(shù)如表1 所示。

表1 配置參數(shù)

如表1 所示，id 是存儲區(qū)訪問的唯一標識，id 在進行注冊訪問時自動生成；nameSIZE 是存儲區(qū)的字符串標識；length 是存儲區(qū)的可用最大長度；addr 是存儲區(qū)的絕對訪問地址，該地址應用層不可見。

除此之外，根據(jù)硬件平臺中NVRAM 的實際大小，需要預先配置其他參數(shù)：NVRAM 的最大空間MAX_NVRAM_ADDR、系統(tǒng)最大支持訪問存儲區(qū)個數(shù)MAX_NVRAM_SUM 及每個訪問存儲區(qū)對應的最大空間MAX_NVRAM_LENGTH

3.2 接口定義

NVRAM 管理模塊定義了注冊接口、讀取接口和寫入接口，分別用于支持NVRAM 的注冊、讀取和寫入服務[9]。各分區(qū)應用通過調(diào)用這些接口實現(xiàn)對NVRAM 的互斥訪問[10]。具體的接口定義如下：

1）注冊接口

int CreatNvRam(int*id,int length,char*name)；

功能：創(chuàng)建并申請NVRAM 空間；

返回值定義：

0：注冊成功；

1：名稱過長；

表3、4、5分別為Z、Y、X方向的前3階模態(tài)頻率和阻尼統(tǒng)計表，圖6、7、8分別為Z、Y、X方向的1階模態(tài)振型。因為模態(tài)振型具有較強的方向性，單方向的模態(tài)頻率、振型與仿真整體模態(tài)頻率、振型的階數(shù)并不一定相等。

2：超過最大長度限制；

3：存儲區(qū)個數(shù)超界；

4：NVRAM 空間不足；

5：注冊失敗。

2）讀取接口

int ReadNvRam(char*pbuf,int id,int length)；

功能：在id 處讀取長度為length 的內(nèi)容到pbuf；

0：讀取成功；

1：無效的id；

2：訪問越界；

3：指針為空。

3）寫入接口

int WriteNvRam(char*pbuf,int id,int length)；

功能：從pbuf中取length 長度的內(nèi)容寫在id 處；

返回值定義：

0：寫入成功；

1：無效的id；

2：訪問越界；

3：指針為空。

3.3 算法設(shè)計

開機初次使用NVRAM 存儲區(qū)時，需要創(chuàng)建NVRAM 配置參數(shù)表[11]。配置表的內(nèi)容為注冊存儲區(qū)時生成的配置參數(shù)，配置參數(shù)內(nèi)容如表1 所示。注冊接口、讀取接口和寫入接口的具體算法實現(xiàn)流程分別如圖5-7 所示。

圖5 注冊接口算法流程

由圖5 可知，在注冊接口的實現(xiàn)算法中，除了要檢查輸入?yún)?shù)（即注冊標識和注冊長度）的有效性，還需要判斷待注冊存儲區(qū)是否已經(jīng)注冊。唯一的注冊標識和禁止重復注冊同一塊存儲區(qū)的機制確保了后續(xù)訪問注冊存儲區(qū)的安全性[12]。

由圖6 和圖7 可知，在訪問存儲區(qū)時，通過有效的存儲區(qū)id 和存儲區(qū)長度，準確地檢索、定位到對應的存儲區(qū)，將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)或者把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到存儲區(qū)中[13]。

圖6 讀取接口算法流程

圖7 寫入接口算法流程

在整個NVRAM 管理機制算法中，不同應用使用NVRAM 時必須先注冊再訪問，注冊的存儲區(qū)不可重疊[14]，不同的存儲區(qū)通過不同標識區(qū)分，訪問存儲區(qū)時利用id 在配置表中進行檢索存儲區(qū)地址[15]，準確定位后再訪問。因此，該機制為不同分區(qū)應用的訪問提供了有效的保護，避免了訪問沖突[16]，也消除了訪問越界的風險。

4 NVRAM管理機制工程驗證

該管理機制在某個機載計算機系統(tǒng)進行了測試，其軟件運行平臺為天脈2 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了三個應用分區(qū)，每個分區(qū)均配置了多個實時任務，均涉及NVRAM 的訪問。

在該機載系統(tǒng)的配置過程中，采用了該文提出的NVRAM 的管理機制，具體的系統(tǒng)配置定義如表2所示。同時，與不采用該機制時的使用效果進行了對比，表3 為采用NVRAM 管理機制前后配置時間和維護時間的對比情況說明。

表2 NVRAM系統(tǒng)配置

表3 NVRAM管理機制應用前后情況對比

由表3 可以看出，不采用NVRAM 管理機制時，雖配置簡單，但需要大量的維護時間，且在系統(tǒng)集成后存在一定概率的出錯風險；相比之下，采用NVRAM 管理機制后，配置時間增加了一倍，但應用系統(tǒng)需要維護的時間明顯減少[17]。

因此，對軟件開發(fā)設(shè)計人員來說，無需耗費過多的精力考慮非易失存儲器的管理問題，一次配置完成后，后期不再需要進行系統(tǒng)維護，解決了非易失存儲器訪問出現(xiàn)問題時難以定位和維護的頑疾。

5 結(jié)束語

對于嵌入式實時多分區(qū)操作系統(tǒng)，引入具有高速讀寫和非易失性的NVRAM，可以快速存儲應用程序數(shù)據(jù)，應用軟件采用原生訪問接口NVRAM，存在嚴重安全性隱患。該文提出的一種新NVRAM 管理機制，實現(xiàn)了應用層設(shè)計與底層NVRAM 管理間的隔離，解決了多分區(qū)對NVRAM 的訪問沖突，消除了訪問過程中數(shù)據(jù)越界的風險，提高了多分區(qū)應用的集成效率和軟件的健壯性。