Mentor Graphics：確保物聯(lián)網(wǎng)(IoT)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可靠運行的策略

Mentor Graphics

2014-07-10 08:00 7364

一個實時操作系統(tǒng)與一個獨立的模式，如Mentor Graphics的Nucleus實時操作系統(tǒng)，能夠利用可在諸多系統(tǒng)芯片設(shè)備上應(yīng)用的內(nèi)存管理單元(MMU)來獨立和保護代碼模塊。

上海2014年7月10日電 /美通社/ -- 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一個跨越很多行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢，包括可穿戴設(shè)備、智能電表、智能家電及汽車等設(shè)備。隨著大家對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其提供信息的依賴不斷增加，服務(wù)時間、可靠性等因素對其成功和整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。智能家電及車載信息娛樂音響主機代表了一大類同時需要互聯(lián)性和高度可靠執(zhí)行性的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

智能家電如洗衣機有一個豐富的用戶界面(UI)，能夠處理任何數(shù)量的指令。該設(shè)備可以通過智能手機進行遙控，連接輸電網(wǎng)絡(luò)，定點在電費比較便宜的非高峰時段洗滌。當(dāng)然洗衣機必須能夠很好、很可靠地執(zhí)行一項功能 -- 洗衣功能。工業(yè)系統(tǒng)有更加嚴(yán)格的實時控制要求，保證實時控制和其他重要操作能夠獨立于更高級別的功能運行，這點很重要。

汽車行業(yè)也在投資聯(lián)網(wǎng)汽車，如收集遠程信息處理數(shù)據(jù)以及通過可更新和可下載的應(yīng)用程序(Apps)提供車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)來滿足消費者的期望。汽車制造商面臨大量的審查以確保車載信息娛樂系統(tǒng)是安全的。應(yīng)用程序下載不能干擾車載信息娛樂系統(tǒng)更關(guān)鍵的功能，如后置攝像頭的視頻。在這種情況下，像 Android 操作系統(tǒng)可能是提供應(yīng)用程序的可行性選擇，而車載信息娛樂系統(tǒng)的核心系統(tǒng)可基于 Linux 平臺。類似的通用操作系統(tǒng)工業(yè)環(huán)境還可能包括一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)實行關(guān)鍵的實時控制功能，而 Linux，即通用操作系統(tǒng)(OS)，可提供用戶界面和監(jiān)督數(shù)據(jù)通信。

在實時操作系統(tǒng)下通過使用 MMU/MPU 實現(xiàn)代碼模塊獨立

一個實時操作系統(tǒng)與一個獨立的模式，如 Mentor Graphics 的 Nucleus 實時操作系統(tǒng)，能夠利用可在諸多系統(tǒng)芯片設(shè)備上應(yīng)用的內(nèi)存管理單元(MMU)來獨立和保護代碼模塊。圖1說明了實時控制任務(wù)如何可以共享內(nèi)核的受保護存儲區(qū)，而其他軟件任務(wù)分為各自的受保護存儲區(qū)?；ヂ?lián)功能和遠程更新共享相同的區(qū)域，而用戶界面和其他應(yīng)用程序任務(wù)被分配到另一個獨立區(qū)域。獨立應(yīng)用子系統(tǒng)的方法可防止互聯(lián)功能或用戶界面應(yīng)用子系統(tǒng)破壞內(nèi)核或者實時控制操作。

用一個進程模式分離連接性和遠程更新的控制。

使用實時操作系統(tǒng)優(yōu)于通用操作系統(tǒng)的一個好處就是其內(nèi)核的實時特性。實時操作系統(tǒng)提供嚴(yán)格的實時調(diào)度，保證優(yōu)先級任務(wù)的運行。進程模式實時操作系統(tǒng)能保證確定的實時調(diào)度，并增加了存儲保護。存儲保護并不改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級和系統(tǒng)反應(yīng)。圖2顯示了應(yīng)用程序(任務(wù)7)和遠程更新任務(wù)在分開的獨立存儲區(qū)域能夠在同一優(yōu)先級執(zhí)行而控制和連接任務(wù)可在更高的優(yōu)先級執(zhí)行。這在很大程度上有別于通用操作系統(tǒng)中程序的執(zhí)行方式。在受保護的實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)人員可以自由地調(diào)整任務(wù)的優(yōu)先級，而無需將其合并到一個共同的存儲區(qū)域。

基于實時操作系統(tǒng)的進程模式還允許進程模塊（一個共同的獨立存儲區(qū)域內(nèi)任務(wù)和庫功能的集合）在系統(tǒng)運行時不斷加載和卸載。這除了能明顯更新系統(tǒng)外，還可以允許開發(fā)人員不斷地重新配置設(shè)備，使其具備不同的操作模式，切換不同的任務(wù)分離和優(yōu)先級配置。

通過類型1的虛擬機 Hypervisor 實現(xiàn)多 OS 系統(tǒng)的應(yīng)用

在今天嵌入式設(shè)備中具備的多核處理器可提供更強大的處理能力和連接選項。這些設(shè)備使多個操作系統(tǒng)的整合成為引進互聯(lián)性的可行安全方法，同時確保更重要的功能的執(zhí)行。即使是在非常注重安全的行業(yè)，如汽車業(yè)，消費者現(xiàn)在也期待車載信息娛樂系統(tǒng)可提供智能手機和平板電腦所具備的應(yīng)用程序。

在物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以前，安全性和可靠性是通過物理分離實現(xiàn)的，通過同一或獨立的面板上多個單獨的處理器以確保設(shè)計的穩(wěn)健性。有了現(xiàn)在的整合的嵌入式系統(tǒng)，引入連接性的一個推薦的方法是使用多個操作系統(tǒng)，由類型1 Hypervisor 實行分離，實際上分離和虛擬化設(shè)備資源，確保必要的汽車功能優(yōu)先于連接應(yīng)用程序的功能。

圖3說明了一個 Hypervisor，如 Mentor Graphics 的 Hypervisor，如何被用于汽車信息娛樂系統(tǒng)，該系統(tǒng)的連接應(yīng)用程序功能是 Android 的而其他車載信息娛樂系統(tǒng)則是基于 Linux 的。

一個 Hypervisor 不僅僅是如圖3所示的簡單分離，它還提供了一種機制限制周邊設(shè)備進入特定的應(yīng)用程序域。就車載信息娛樂系統(tǒng)而言，我們可能想要限制對車載 CAN 總線的使用，只允許車載信息娛樂系統(tǒng)接入CAN數(shù)據(jù)，而聯(lián)網(wǎng)的 Android 應(yīng)用程序接入數(shù)據(jù)只能通過進程間通信(IPC)和基于 Linux 車載信息娛樂系統(tǒng)應(yīng)用程序。同時，我們想要 Linux 和 Android 都可以使用本地的記憶卡查看媒體文件。圖4說明了一個 Hypervisor 如何允許我們直接映射及準(zhǔn)虛擬化外圍設(shè)備。這使得開發(fā)者能夠限制訪問CAN總線及實現(xiàn)如記憶卡等其它資源的共享。

用一個Hypervisor來分離和共享外圍設(shè)備。

在真實場景中測試可靠性

到現(xiàn)在為止我們已經(jīng)說明了設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的兩種可能的方法，實時操作系統(tǒng)的使用和類型1 Hypervisor。當(dāng)然多種不同的變更和理想的方法還要取決于具體的設(shè)備。然而所有連接系統(tǒng)都會受益于某種程度的測試以確保其實地操作的正確性。對連接設(shè)備的自動化安全峰值測試和壓力測試就是一個例子，說明協(xié)議?；蜻^程控制功能的失敗是可以檢測的。此外，設(shè)備的功能性健康是可以在模擬攻擊中確定的。應(yīng)該執(zhí)行的其他測試包括發(fā)送無效或分散的數(shù)據(jù)包，執(zhí)行測試框架，探測已知的軟件棧的漏洞。執(zhí)行這些測試可以增加連接設(shè)備在實際應(yīng)用中的魯棒性。

可更新性設(shè)計

移動設(shè)備的用戶熟知需經(jīng)常性升級設(shè)備，修補漏洞，添加安全更新或增加設(shè)備性能 -- 所有這些都毫不費力地通過“空中下載技術(shù)”來完成。基于實時操作系統(tǒng)的進程模式和使用類型1 Hypervisor 都能促進嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)可以一種安全的方式通過空中下載技術(shù)實現(xiàn)更新。通過分離可不斷加載和卸載的應(yīng)用子系統(tǒng)，這兩種方法可隨著時間的推移更新特定子系統(tǒng)，修復(fù)漏洞或在開發(fā)和實際應(yīng)用時解決可靠性問題。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣度和相關(guān)功能經(jīng)常需要開發(fā)人員集成來自多種途徑的代碼，包括國內(nèi)的，商業(yè)的和開源的。所有這些都會增加對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的靈敏度和可靠性的負面沖擊。使用包含進程模式的實時操作系統(tǒng)來分離應(yīng)用子系統(tǒng)和使用類型1 Hypervisor 來整合多個操作系統(tǒng)對于在應(yīng)用程序和系統(tǒng)中引進互聯(lián)性是有效途徑，因后者在執(zhí)行過程中需要較高水平或可靠性。

除了選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方法，設(shè)計師還必須及時添加額外的測試來確保正確的操作，考慮設(shè)備的整個操作生命周期，具備快速，無縫，盡可能輕松地更新設(shè)備軟件的能力。

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作者簡介

Kamran Shah 是 Mentor Graphics 嵌入式軟件部市場總監(jiān)。他充當(dāng)多個技術(shù)角色，包括產(chǎn)品營銷，產(chǎn)品管理和研發(fā)。在他的整個職業(yè)生涯中，Kamran 引領(lǐng)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的創(chuàng)新，包括異構(gòu)目標(biāo)、軟件定義無線電系統(tǒng)和基于云的開發(fā)工具和服務(wù)。Kamran 獲得了15項專利，于1999年畢業(yè)于德克薩斯 A&M 大學(xué)，取得計算機工程學(xué)士學(xué)位。

關(guān)于 Mentor Graphics

Mentor Graphics 公司是電子硬件和軟件設(shè)計解決方案(EDA)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為世界上較成功的通信、半導(dǎo)體，計算機，消費電子，汽車電子和國防軍工公司提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、咨詢服務(wù)和支持, 可加快客戶電子及機械產(chǎn)品的研發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加成本效益。工程師可借助公司不斷推出的新產(chǎn)品及解決方案，應(yīng)對日趨復(fù)雜的電路板及芯片設(shè)計領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。Mentor Graphics 公司擁有業(yè)內(nèi)最為豐富的頂級產(chǎn)品線，提供完整的 SOC/IC/FPGA/PCB/SI 設(shè)計工具和服務(wù)，并且是唯一一家擁有嵌入式軟件解決方案的 EDA 公司。公司成立于1981年，目前有超過70家分公司分布世界各地。

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