MetaOS概述

什么是MetaOS

  MetaOS是中科时代(深圳)计算机系统有限公司自研的、行业领先的工业级双域操作系统,是数位计算机/工业控制领域行业专家基于中国科学院计算技术研究所对计算机系统的深入理解,经多年研究,合作开发而成,具有稳定可靠、硬实时、算控一体等特点。

  • MetaOS构建了一个双内核的系统框架,无缝的并行运行Linux内核以及实时内核,实时内核处理所有的关键活动,例如处理中断和调度实时线程,完成有严格时间要求的硬实时任务,Linux内核处理没有严格时间要求的软实时任务,如视觉、CAM、HMI、WEB等。实时内核的优先级高于Linux内核,优先持有资源和处理中断。双内核各自运行独立的系统,既Linux系统和实时系统,称为域,因此这种双内核架构的操作系统,就是双域操作系统。
  • MetaOS支持X86等CPU平台,基于虚拟化,将CPU、内存、网卡、磁盘等硬件资源进行了细粒度划分,分配到了实时域和非实时域。虚拟化技术将双域进行了隔离,相互之间独立运行,互不干扰,各域可使用自身专属的硬件资源执行任务。 这样的架构特点,天然具有高度的稳定性和可靠性。

Sinsegye MetaOS Architecture

MetaOS的愿景

  MetaOS致力于成为一款极致稳定、高效、生态开放的工业级实时操作系统。

  • 在稳定性上,MetaOS基于双域架构以及虚拟化技术,为企业提供了一整套的工业实时应用程序稳定运行环境,且无论是复杂算法或是大规模数据传输与计算,亦或高负载大量带轴,均不断突破工业现场稳定运行时长;
  • 在高效方面,MetaOS注重提升效率,在开机效率、开发部署效率、资源利用效率、数据收发效率、跨域通讯效率、磁盘读写效率等环节效率提升上不断优化,帮助企业用户在每一个环节提效;
  • MetaOS也可以帮助企业打造边缘智能生态,在完美兼容linux生态的同时,向开发者提供开放能力集,企业开发者可以根据能力集快速构建实时应用。MetaOS还为开发者提供dumpsys、交叉编译工具链等多种插件,开发者也可以自研工具,在MetaOS运行使用,形成共享共建的工具市场。

我们希望,通过使用MetaOS:

  • 工业企业,能更好地拥抱大数据技术、拥抱人工智能技术,充分发挥自身优势,提升生产效率、降低生产成本;
  • 工业企业管理人员,能更好地管理生产过程,利用生产过程数据创造更智能、更精细的生产流程,加速提升产品竞争力;
  • 工业企业开发人员,能更加便捷地进行工艺开发、设备监控、设备维护,降低工作强度、提高工作幸福感。

MetaOS核心技术

双域架构

实时域方面:利用开源的工具包构建了实时内核用于支持实时域的运行,并且提供了DPDK驱动库、ARI实时调用接口等工具库提高数据交互的性能以及使用的便捷性。

非实时域方面:通过VFIO等虚拟化技术提高了非实时域硬件资源的访问能力。并且提供了丰富的工具链,如ADI硬件资源调用接口、共享内存、高速读写虚拟磁盘等,支持用户对操作系统底层资源进行调用,充分利用系统资源,开发自研应用。

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虚拟化技术

  虚拟化技术(Virtualization)是一种「将计算机的各种实体资源进行逻辑抽象,从而呈现出不同的虚拟资源」的资源管理技术。利用虚拟化技术,我们可以打破实体结构间不可切割的特性——一份实体资源可以对用户呈现为多份虚拟资源,多份实体资源也可以呈现为一份物理资源。

  MetaOS利用KVM、VFIO、QEMU等虚拟化技术解决了原生Linux系统在工业场景应用时安全性、稳定性不够,可靠性不足,资源利用不高等问题,具备以下能力:

  • 支持Host系统、GUEST系统对应的一型、二型虚拟化
  • 支持GUEST系统虚拟机管理及设备模拟、硬件穿透,二型虚拟化的虚拟机
  • 可按需装载桌面操作系统,包括Windows、麒麟OS、欧拉、统信等
  • 支持虚拟化管理功,按需分配CPU核、内存、网卡等资源,提高资源利用效率并具备开放性和集成性
  • 支持DPDK网卡驱动的模式,实现高效快速的数据收发
  • 更轻量的虚拟化开销,减少资源占用

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任务实时调度技术

  MetaOS为了开发者提供了操作系统底层的进程调度接口,支持多种任务调度策略。开发者可使用Cobalt调度器对任务进行调度,调度过程中按需设置调度策略进行资源分配,可对任务进行挂起暂时禁止任务参与资源抢占。同时,还可以对任务的异常情况进行查询处理,有效实现资源的平衡使用,实现负载均衡。具备如下特点:

  • 支持配置抢占式优先级;
  • 支持包括“FIFO先进先出”、“RR时间片轮转”实时策略在内的多种策略形式;
  • 调度过程可开启优先级继承协议以及优先级天花板协议,解决优先级反转问题,以及避免死锁;
  • 实时任务调度满足O(1)的常数阶复杂度算法,资源占用最小。

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MetaOS优势

MetaOS优势

性能展示

  MetaOS强大的系统功能,已在中科时代多款自研工智机上得到了有效的验证。 工智机硬件

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带轴能力对比

  系统的带轴能力与硬件性能相关。当PLC任务周期为1ms时,顶配的工智机可支持同时运行256根轴,且实时抖动<30μs。 系统带轴能力

8轴凸轮性能对比

  在Ethercat任务下实时抖动对比,任务周期均为500μs。 ethercat任务对比

MetaOS应用场景及典型案例

  MetaOS旨在提升工业控制的智能化水平,以实现工业自动化控制的高精度、高效率为目标而打造:

  • 需要结合复杂算法推理的结果进行控制的场景,如视觉定位机械手拆垛、视觉引导激光切割、生产线工艺/能耗优化控制等。
  • 实时性能需要到百微秒级,对实时性能要求十分苛刻的场景,如3C芯片制造、单晶硅棒切割等。
  • 在需要控制多轴的同时仍需满足硬实时性要求的场景,如多轴机械手控制,多轴差补控制等。