大型的通信设备为了提高设备性能都尽量装备更多的CPU，使不同的功能模块装备相应的 CPU，每一个自主功能模块都有自主运行的嵌入式操作系统。为了使各功能模块运行的应用进程能够互相协调，就需要下层操作系统提供分布式系统的支持功能。
根据文献[1,2]对分布式系统的定义，对于一个分布式操作系统来说，应用进程可能会运行在不同的处理系统上，在这些处理系统之间，可能存在着全局共享的存储系统。当然，也可能没有全局共享的存储系统，每个 CPU 系统都只能访问本地的存储系统和文件系统。本文讨论在没有全局共享存储系统的情况下，运行于不同 CPU 系统之间的基于消息的进程间通信机理和方法。
20 世纪 70 年代以来，分布式操作系统[3]虽然从单系统操作系统中发展出来，但主要用于解决通用计算系统的分布式系统设计，对于嵌入式系统则关注不多，相关的设计方法和设计思想亦乏善可陈。
一个典型的多 CPU 嵌入式系统应具有如下特点[4]：
(2)一个典型的多 CPU 嵌入式系统运行的应用进程种类比较单一，CPU 的数量也远远小于大型分布式系统。在逻辑上，各个不同的 CPU 系统执行的应用进程在功能上都相对独立，相互之间的通信量不大；在物理上，一般各 CPU 系统基本都在同一个机架或者同一个机房内，物理连接稳定高效，因此，进程间通信的路由算法[5]可以设计得相对简单而有效。
(3)多 CPU 嵌入式系统不同于普通的分布式系统之处在于它的各 CPU 系统之间的物理通信方式种类繁多，即使在同一个嵌入式CPU 系统中，也可能会使用到多种不同的物理通信方式。
(4)出于对功能和成本的考虑，构成同一个多 CPU 嵌入式系统的各个子 CPU 系统的能力往往大不一样，一般会存在一个比较强大的中心 CPU 系统，以及通过各种物理连接连接到这个中心 CPU 系统的各终端 CPU 系统。
根据多 CPU 嵌入式系统的上述特点，本文提出一个在多 CPU 嵌入式系统中使用的分布式操作系统进程间消息通信的设计方法。
1 多 CPU 嵌入式系统的硬件系统
在给出此进程间消息通信方法的设计之前，先给出该方法所基于的多 CPU 系统的嵌入式系统的硬件体系结构特征：
(1)拥有多个 CPU 系统；
(2)各 CPU 终端系统之间都会有物理连接到中心 CPU 系统，可能是总线式的连接，也可能是点对点的连接。各终端 CPU 系统之间可能存在物理连接，也可能不存在物理连接；
(3)各 CPU 系统上运行的进程间需相互通信，以便能协调运行；
(4)由于没有全局共享的存储系统，每个 CPU 系统都使用本地存储系统，所以进程间通信必须使用基于消息的通信方式。
许多大型的嵌入式系统，如在通信设备、航空航天设备中,有类似的硬件体系结构。其典型的结构框图如图 1 所示。
图 1 中的点到点链路可能是通用异步收发(UART)链路，也可以是高速数据链路(HDLC)链路，泛指使用点到点方式连接的链路。图 1 中的点到多点链路可能是 UART 串口链路，也可以是 HDLC 链路，泛指使用点到多点方式连接中心 CPU系统和多个终端 CPU 系统的链路；图 1 中的总线链路可能是以太网总线链路，也可以是 HDLC 总线链路，泛指使用总线式结构的物理链路。
图 1 多 CPU 系统的嵌入式系统的典型硬件体系结构
与普通的多 CPU 系统相比，多 CPU 系统的嵌入式系统在物理连接方式上更为复杂，但是各 CPU 系统的功能和位置却相对固定，中心 CPU 系统和终端 CPU 系统之间有着明显控制和被控制关系。这决定了在设计中，进程间消息通信将采用集中的路由控制方式。
2 多 CPU 嵌入式系统进程间消息通信方法的层次结构
&nbs p; 本文提出的运行在多 CPU 嵌入式系统上的分布式操作系统的进程间消息通信方法具有如图 2 所示的层次结构。
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由图 2 可以看出，进程间消息通信主要分 3 个层次：
(1)进程接口层，主要负责提供发送时的应用编程接口(API)，完成接收消息的进程间分发；
(2)路由层，主要负责实现进程地址到实际传输地址的解析；
(3)数据链路传输层，主要负责维护本 CPU 系统到其他 CPU 系统的通信链路，保证消息的可靠传输。
3 应用进程接口层的设计
应用进程接口层要实现的功能有：
(1)供进程间消息通信的发送接口。不管需要通信的目的进程是否是在同一个 CPU 系统中运行，对上的接口都是统一的。
(2)的消息派发到各进程。
(3)步消息(阻塞方式)和异
在运行时，应用进程接口层程序将根据上层代码在调用时的输入参数，确定进程间消息通信是在同一个 CPU 系统内还是在不同的CPU 系统间，是同步方式还是异步方式，据此分别启动相应的处理流程，并启动统一的接收消息处理进程统一处理发送给本 CPU 系统的消息。同步消息处理和异步消息处理的发送处理流程设计如图 3 所示。
4 路由层的设计
在多 CPU 嵌入式系统中，各 CPU 系统功能相对独立，在各 CPU 系统上运行的进程也相对固定，因此，开发者会清楚地知道需要和那个 CPU 系统上的哪个进程通信。所以本文设计的进程间消息通信使用的地址格式是“主机名＋进程名”的两段格式。
应用进程使用字符串来标识地址，在路由层将字符串格式的地址根据地址映射表转化为 2 进制格式的地址，相当于主机编号＋进程编号”，再根据地址中的主机编号查询路由表链路配置得到相应的链路号，从而完成路由层的地址解析和链路查找的功能。
4.1 地址映射表的设计
地址映射表是一个两级映射结构，如图 4 所示。
如前文所述，在多 CPU 嵌入式系统的，CPU 系统的数量不会很多，使用遍历查找不会有很大的效率问题，当然在对效率的轻微下降也很敏感的地方也可以使用一些如“命名分类”等提高效率的方法。
4.2 路由表的设计
路由表是一个主机编号和使用链路一一对应的表结构，同时还有一个可选的缺省转发链路表项，如图 5所示。
4.3 路由表和地址
映射表的维护
根据多 CPU 嵌入式系统的特性，路由表和地址映射表的维护都是使用了中心 CPU系统集中控制的方式。具体方法如下：
(1)中心 CPU 系统有着缺省的主机编号，中心 CPU 系统的路由管理进程也有缺省的路由管理进程编号；
(2)终端 CPU 系统启动时，向中心 CPU系统发送路由维护请求，请求信息中包括本 CPU 系统的信
息，如本机名、本机进程编号表、本机硬件地址(总线型链路必须提供)；
(3)中心 CPU 系统在收到请求后，为该终端 CPU 系统分配主机编号，并且把该主机编号和收到该请求的链路设备号添加到路由表中，同时把该主机名、主机编号、主机进程表添加到地址映射表中，然后向终端 CPU 系统发送路由维护回应(回应中包括全局的地址映射表及为该终端 CPU 系统分配的主机编号)；
(4)终端的 CPU 系统收到回应后，更新或创立自己的地址映射表。对于使用点到点链路或点到多点链路和中心 CPU系统相连的终端 CPU 系统来说，本地的路由表比较简单，只有到中心 CPU 系统一条上连链路，和其他 CPU 系统上的进程通信都通过中心CPU 系统来转发；对使用总线式链路和中心CPU 系统相连的终端 CPU 系统来说，使用类似地址解析协议(ARP)的方式来维护本地的路由表。
(5)各终端 CPU 系统的缺省转发主机和 缺省转发链路都指向中心 CPU 系统以及和中心
CPU 系统相连的链路。
(6)各终端 CPU 系统的运行进程发生变化后，都向中心 CPU 系统上报消息，中心 CPU系统根据终端 CPU 系统上报的消息更新全局地址映射表，并将更新后的全局映射表发送到整个 CPU 系统中。为了提高更新效率，可以采取增量更新的方式。中心 CPU 系统还会定时发送全局地址映射表，以确保整个系统的地址映射表一致。
(7)在发送和接收消息时都使用全局地址映射表做地址解析。
5 数据链路层的设计
通过路由层对发送消息目标地址的解析和 映射，可以得到该消息需要使用的链路号。根据链路号，数 据链路层可以找到发送的设备驱动，并调用设备驱动发送消 息。具体来说，数据链路层任务主要有：对消息进行分包和 组包以适应硬件发送设备对最大包长度的限制；实现流量控制和自动重发机制，确保数据包在链路层的可靠传输；管理所有用于 CPU 系统间通信的硬
6 结束语
与普通分布式系统的运行环境不同，多 CPU 嵌入式系统一般是可定制的，各 CPU 终端系统之间的物理连接方式 不统一、不同类型的物理链路并存是基本特点，这些特点， 在以往常规的分布式系统的设计中都未考虑。
本文针对多 CPU 嵌入式系统提出的进程间消息通信的方法，根据其应用环境比普通分布式系统的环境要相对稳定 和简单的特点，简化了进程的路由寻址设计，得到了提高效率和简化实现的好处。而且由于采用了分层设计，各层间功 能界定清晰、接口明确，每一层为上层提供服务，屏蔽实现细节，使得该进程间消息通信方法还具有良好的可移植性和软件重构能力。
