分區(qū)操作系統(tǒng)
分區(qū)操作系統(tǒng)
分區(qū)操作系統(tǒng)想必很多人都不太了解。下面由學習啦小編為大家整理了分區(qū)操作系統(tǒng)的相關知識，希望對大家有幫助!
第1部分 分區(qū)操作系統(tǒng)背景
隨著硬件體系結構的不斷復雜、系統(tǒng)功能日益豐富、代碼規(guī)模不斷擴大、并發(fā)/并行處理程度的不斷加深，像VxWorks-5.5, uC/OS, FreeRTOS這類傳統(tǒng)的RTOS面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)如下：
1. 硬件設備的復雜性、多樣性導致系統(tǒng)出錯頻繁
在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中硬件相關代碼占到很大的比重，例如Linux內(nèi)核中大約70%的代碼是設備驅動程序。操作系統(tǒng)的開發(fā)人員需要熟悉各種硬件體系結構以及外部設備特性，稍有不慎將導致系統(tǒng)崩潰。斯坦福大學的一項研究表明Linux設備驅動缺陷出現(xiàn)的頻率比內(nèi)核的其它部分高出5~7倍以上。另外就VxWorks-5.5而言，其內(nèi)核穩(wěn)定性在業(yè)界有口皆碑，但是隨著硬件平臺及外設的不斷豐富，在VxWorks-5.5的USB驅動中出現(xiàn)的錯誤將直接影響到vxWorks-5.5產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
2. 高度并發(fā)處理導致嚴重的資源競爭
RTOS內(nèi)核中面臨著極為頻繁的競爭行為，這樣競爭行為是由任務之間、中斷之間、以及任務與中斷之間對各類共享資源的并發(fā)訪問和可重入操作引起的，對系統(tǒng)的可靠性帶來巨大的威脅，包括原子性破壞、數(shù)據(jù)一致性破壞、死鎖、優(yōu)先級翻轉等。據(jù)統(tǒng)計，由競爭引發(fā)的錯誤在RTOS內(nèi)核中出現(xiàn)的比例遠高于其他軟件。
3. 由于并行、時序原因引發(fā)的錯誤導致系統(tǒng)故障定位困難
相對于應用軟件而言，RTOS的錯誤定位難度要高得多。一方面，由于RTOS是整個系統(tǒng)的最底層軟件，缺乏其它的軟件作為運行支撐，因此對其調(diào)試和測試都需要定制的工具才可以完成;另一方面由于RTOS運行的高度并發(fā)性、時序相關性導致其錯誤不易被發(fā)現(xiàn)、錯誤重現(xiàn)難度極大。因此在RTOS設計中如何嵌入觀測代碼、以便有效采集系統(tǒng)運行狀態(tài)及相關數(shù)據(jù)，以便重現(xiàn)系統(tǒng)運行錯誤現(xiàn)場和運行過程，將顯得極為重要。
4. 隔離和包含手段仍顯薄弱
各個應用程序在保障自身運行正確性和安全性外，還需要防止在其它模塊發(fā)生錯誤之后可以不受錯誤級聯(lián)反應的影響。因此需要RTOS提供一套有效的隔離與保護機制來限制錯誤的擴散和蔓延?，F(xiàn)有的隔離和保護手段主要是借助于MMU和MPU對地址空間進行保護，存在保護力度大、資源消耗多、性能影響大等缺陷，仍缺乏一套有效的軟硬件結合的隔離手段與機制。
面對傳統(tǒng)RTOS可靠性的種種挑戰(zhàn)，需要應用新的設計理念，從根本上改善與提高系統(tǒng)可靠性。因此高可靠分區(qū)系統(tǒng)pRTOS采用Partitioning架構，利用分區(qū)隔離、降低耦合、以及增加中間層的高可靠RTOS設計模型，如下圖所示。
在pRTOS的設計中，分區(qū)不是一個具有強制隔離性質(zhì)的一組進程，而是一個虛擬的執(zhí)行環(huán)境(RTE-Run Time Environment)，在分區(qū)中即可以執(zhí)行一個裸的應用，也可以運行一個支持多任務的操作系統(tǒng)級應用。事實上在pRTOS的多個不同的分區(qū)之上可以各自運行不同的操作系統(tǒng)。pRTOS具有擴展成為安全關鍵(Safety-Critical)操作系統(tǒng)的能力。換句話說pRTOS其實是一層最接近硬件的軟件層(中間層)。盡管pRTOS沒有完全兼容航空ARINC653、以及車載AUTOSAR標準，但是ARINC653和AUTOSAR的哲學思想(分隔的思想)已經(jīng)潛移默化的應用在pRTOS的設計當中。
第2部分 分區(qū)操作系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
RTOS安全級別可以按EAL(Evaluation Assurance Level)分為7級。國際民航或軍用設備對應EAL5級以上，一般商用和家用操作系統(tǒng)(例如Microsoft Windows 7，Ubuntu Linux，Android)都在EAL4級以下。國際民航通用的RTCA DO-178適航認證屬于EAL5+級別的安全關鍵(Safety-Critical)操作系統(tǒng)。
各RTOS供應商針對不同的市場定位，供應多種安全級別的操作系統(tǒng)。例如Lynuxworks發(fā)行的多種操作系統(tǒng)中，LynxOS-Secure是針對最高安全級別(EAL6+)的安全關鍵(Security-Critical)操作系統(tǒng)，LynxOS-178是針對中高安全級別(EAL5+)的(Security-Critical)操作系統(tǒng)，LynxOS-SE是針對虛擬化環(huán)境的中高安全級別操作系統(tǒng)。
從設計理念來講，RTOS可以分為三類：傳統(tǒng)的基于線程的實時操作系統(tǒng)(Thread-based RTOS，如uC/OS, FreeRTOS, VxWorks-5.5);基于進程的實時操作系統(tǒng)(Process-based RTOS，比如vxWorks-rtp, realtime-linux);基于分區(qū)的實時操作系統(tǒng)Partition-RTOS。目前通過DO-178適航認證的嵌入式RTOS有INTEGRITY-178B，VxWorks-178，LynxOS-178等少數(shù)幾個，無一不是分區(qū)實時操作系統(tǒng)架構。其中Greenhill的INTEGRITY-178B已經(jīng)達到EAL6+級別，是目前最高安全等級的Partition RTOS。因此設計一款安全關鍵(Saftey-Critical)操作系統(tǒng)，至少應該滿足Partitioning-RTOS的主流設計理念，基于任務和線程的設計幾乎是不可能達到安全要求的。
第3部分 分區(qū)操作系統(tǒng)pRTOS架構
pRTOS采用嵌入式虛擬化技術實現(xiàn)，嵌入式虛擬化技術引入了非常小的性能開銷，使得Partitioning的吞吐量非常接近于裸機的性能。
分區(qū)軟件架構的使用主要是為了解決軟件的安全性和可靠性。設計的核心原則是將系統(tǒng)需要隔離的模塊放入分區(qū)中?？臻g和時間隔離是pRTOS的最重要的特性。在安全關鍵系統(tǒng)中，安全關鍵軟件和非安全關鍵軟件是強制隔離的，正如前文所述，這方面的先驅者是航空工業(yè)。pRTOS為不同的安全級別或者認證級別的軟件提供了空間和時間隔離。通過內(nèi)存保護、訪問控制、以及時間觸發(fā)的調(diào)度機制，使得錯誤被局限在出錯的分區(qū)中，從而不會影響到其它的健康分區(qū)。這樣可以對分區(qū)內(nèi)的軟件做獨立的安全性認證，從而使得軟件安全認證進一步被簡化;同時pRTOS也為專注于安全性考慮的應用提供了靈活的系統(tǒng)構架。pRTOS結構圖如下：
第4部分 分區(qū)操作系統(tǒng)優(yōu)勢
在可靠性和安全性要求比較強的嵌入式系統(tǒng)中采用Partitioning架構，有以下幾點優(yōu)勢：
(一) Partition構架可以在同一物理設備上并行運行多種操作系統(tǒng)，一個典型的應用是在Partition RTOS構建的虛擬平臺上同時運行提供實時任務的RTOS(如uC/OS等)和非實時任務的GPOS(如Linux)。既解決了通用操作系統(tǒng)實時性的不足，又解決了RTOS應用不夠豐富的劣勢。
(二)通過把不同子系統(tǒng)封裝到Partition中，比如驅動程序、網(wǎng)絡協(xié)議?；蛘呶募到y(tǒng)等內(nèi)核組件可以直接運行在Partition上，其它的子系統(tǒng)可以共享該組件，提高了系統(tǒng)的安全性和代碼的復用率。一旦其中一個子系統(tǒng)崩潰或者被攻擊，將不再會影響到其它子系統(tǒng)。例如移動手機終端，其通信協(xié)議棧非常關鍵，一旦該協(xié)議棧被攻擊者成功進入，這臺手機就可能干擾整個無線網(wǎng)絡，在極端的情況下會導致整個通信網(wǎng)絡的癱瘓。同樣一個加密子系統(tǒng)也需要極高的安全保護，來保證加密信息不被竊取。但是對于現(xiàn)代的嵌入式操作系統(tǒng)來說，越來越龐大的代碼量使得其安全隱患越來越多，由于其允許使用者下載和運行程序，這樣的話一旦某個應用的某個缺陷被攻擊者作為攻擊的切入點，就將導致整個系統(tǒng)的崩潰。比如緩沖區(qū)溢出就是一種常見的網(wǎng)絡攻擊手段，其原理是利用用戶程序對緩沖區(qū)的超界訪問，從而訪問到系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)和程序，從而能夠竊取系統(tǒng)的控制權。在沒有使用Partition技術的系統(tǒng)里如下圖左，緩沖區(qū)溢出攻擊一旦成功，整個操作系統(tǒng)已經(jīng)暴露在入侵者的面前，入侵者將能完全控制整個系統(tǒng)資源，訪問所有的關鍵模塊。
如果入侵者攻擊使用了Partition架構的系統(tǒng)，如上圖右邊所示，雖然入侵者通過應用程序的缺陷侵入了操作系統(tǒng)的用戶交互界面，但該操作系統(tǒng)只負責與用戶進行交互。由于 Partition RTOS存在，攻擊者只能控制被攻擊的操作系統(tǒng)，而不能控制運行于虛擬化系統(tǒng)內(nèi)的其它 OS。這樣就保證了攻擊造成的損害被降到了最低。
(三)Linux是一個經(jīng)常被使用的高級操作系統(tǒng)。它的優(yōu)點就是免費且有一個龐大的開源社區(qū)支持。Linux遵照GPL的License發(fā)布，它要求任何由Linux衍生出來的代碼都要遵照同樣的license發(fā)布，也就意味著開源。這對于商業(yè)開發(fā)來講就是一個兩難的取舍，既想使用免費的系統(tǒng)又需要保護商業(yè)機密。通過虛擬化技術可以實現(xiàn)lisence的隔離，下圖所示Linux運行于相互隔離的虛擬機中，在 Linux 中用使用驅動樁，而把真實的驅動實現(xiàn)在另外的虛擬機中，從而實現(xiàn)了lisence的隔離。
Partition技術實現(xiàn)了軟件和硬件的松散耦合，這樣發(fā)布一個新的硬件平臺時客戶操作系統(tǒng)只需要做極少的更改就可以移植到一個新的平臺;另一方便那些需要維護周期長的系統(tǒng)，比如艦載系統(tǒng)，一般的周期至少是10年。在此期間有可能原來的硬件平臺已經(jīng)停產(chǎn)或者系統(tǒng)已經(jīng)停止維護，使用Partition技術可以為其提供一個穩(wěn)定的運行環(huán)境。