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[導讀]基于嵌入式環(huán)境中Nucleus到Linux的程序移植方案

嵌入式環(huán)境中,MIPS架構(gòu)下,程序從Nucleus到Linux操作系統(tǒng)的移植為例,探討了從單一地址空間操作系統(tǒng)到多地址空間操作系統(tǒng)的程序移植方案,對多種方案進行了比較擇優(yōu),提出了單一設備、多個模塊、架構(gòu)整體搬遷的移植方案。從移植的結(jié)果來看,方案可行、廉價、高效。

引言

Nucleus是單一地址空間操作系統(tǒng)的一種,作為商業(yè)化的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品,曾被廣泛使用。在MIPS架構(gòu)中,其操作系統(tǒng)和用戶程序完全工作在內(nèi)核模式,且只占用和訪問0x80000000以上的線性地址空間。因此,在Nucleus中,操作系統(tǒng)和用戶程序工作在線性地址空間中,且用戶程序與內(nèi)核服務之間沒有明顯的區(qū)分,進入內(nèi)核服務更像是調(diào)用API(ApplicatiON Program Interface)而不需要上下文切換。其優(yōu)點是限制少,編程方便,但系統(tǒng)健壯性差。

Linux操作系統(tǒng)因其開放性和穩(wěn)定性等優(yōu)點,近年來為越來越多的嵌入式設計方案所采用。它有著嚴格的內(nèi)核模式和用戶模式的區(qū)別,在MIPS架構(gòu)中,用戶模式只能訪問0x80000000以下的空間,內(nèi)核模式可以訪問所有的空間,而在任何模式下訪問0x80000000以下的空間時,都介由TLB(Translation Lookaside Buffer)進行虛擬專有地址到物理地址的映射。因此,各用戶進程運行在各自虛擬地址空間內(nèi),而非線性地址空間,用戶進程在進入內(nèi)核服務時,將以軟中斷的方式進行并伴隨著上下文切換。其優(yōu)點是系統(tǒng)穩(wěn)定健壯,但系統(tǒng)設計需要遵守特定的約束。

光纖環(huán)行網(wǎng)監(jiān)控記費系統(tǒng)PMON(Packet Over SONET Monitor)是華中科技大學電信系與美國Combrio公司合作的項目。系統(tǒng)完成OC48光纖環(huán)形網(wǎng)上的數(shù)據(jù)抓取并轉(zhuǎn)發(fā)至12個千兆快速以太網(wǎng)口,支持基于規(guī)則的流分類、負載均衡和NETFOLW計費。PMON的軟件架構(gòu)在MIPS下的Nucleus操作系統(tǒng)中已成功實現(xiàn),現(xiàn)將PMON的軟件架構(gòu)由Nucleus移植到Linux中,便要面臨從單一模式(內(nèi)核模式),單一地址空間到多模式(內(nèi)核模式和用戶模式),多地址空間的問題,本文就此提出了一種高效,廉價的方案。

PMON在Nucleus中的設計實現(xiàn)

圖1描述了PMON軟件架構(gòu)在Nucleus操作系統(tǒng)中的實現(xiàn),其中主要包括各硬件驅(qū)動程序,硬件驅(qū)動層的一個統(tǒng)一接口,一個負責各驅(qū)動程序初始化、配置及一致性檢查的模塊,一個中斷服務接口,各應用程序或進程及操作系統(tǒng)本身。各模塊的劃分只是程序在邏輯上的分割,它們都處于同一線性地址空間中,可以視作一個二進制程序塊,將這個架構(gòu)及程序移植到多地址空間的Linux操作系統(tǒng)中時,便需要考慮各模塊應工作在什么地址空間及什么工作模式下。

 

 

圖1 Nucleus中的程序架構(gòu)

PMON在Linux中的傳統(tǒng)解決方案

Linux中的傳統(tǒng)程序架構(gòu)

圖2描述了在Linux操作系統(tǒng)中PMON軟件的傳統(tǒng)設計架構(gòu)。由于接口已被Linux操作系統(tǒng)所規(guī)范,程序的設計工作集中在驅(qū)動模塊,負責各驅(qū)動程序初始化、配置及一致性檢查的模塊,及各應用程序。

各驅(qū)動程序處于Linux的內(nèi)核層,各自對Linux的中斷管理模塊申請中斷。各驅(qū)動程序直接掛載于Linux的設備管理模塊,從而通過Linux的文件系統(tǒng)對用戶層提供各自的驅(qū)動管理、應用接口,驅(qū)動的配置和一致性檢查等模塊將置于用戶層中,同處于用戶層的還有各用戶進程。

 

 

圖2 Linux中的傳統(tǒng)程序架構(gòu)

性能分析

以上描述的程序設計,符合Linux架構(gòu)下設計的一般原則,結(jié)構(gòu)清晰。驅(qū)動程序掛載在Linux的設備管理模塊上,可以利用Linux的Module特性,動態(tài)加載和卸載驅(qū)動,這對于支持熱插拔的系統(tǒng)非常有利。

但在移植的角度看來,各驅(qū)動程序都需要為了適應Linux的接口而進行相當程度的改寫,沒有充分利用原來的代碼而增加了工作量;各驅(qū)動程序都要直接向Linux的中斷管理模塊申請中斷,在一個具有規(guī)模的系統(tǒng)中,將導致中斷資源的短缺;由于各驅(qū)動都直接向Linux設備管理模塊掛載,致使在文件系統(tǒng)中有各自的接口,迫使對于驅(qū)動程序配置和一致性檢查管理的模塊置于用戶層,每一次對于設備及驅(qū)動的完整及一致性檢查都要進行上下文切換,效率極低。在用戶進程看來,它需要面對的由文件系統(tǒng)提供的設備接口也比較繁雜,沒有一致性的接口,調(diào)用各設備接口時,也沒有底層模塊為其調(diào)用設備組合的合法性作出檢查和保證。

改進后的PMON在Linux中的解決方案

從以上分析可見,如果遵循傳統(tǒng)的Linux程序設計來將PMON軟件架構(gòu)由Nucleus移植到Linux中,效果不能令人滿意。為此提出一個設備多個模塊,架構(gòu)“整體搬遷”的方案。

改進后的PMON軟件在Linux中的程序架構(gòu)

改進后的Linux中PMON程序架構(gòu)如圖3所示。各驅(qū)動程序、驅(qū)動管理模塊(Driver Management)及中斷管理模塊在Linux內(nèi)核中運行,而用戶進程在用戶空間中運行。各驅(qū)動程序編譯為多個模塊,而由驅(qū)動管理模塊向Linux設備管理模塊申請為一虛擬設備。就內(nèi)核中的模塊而言,實現(xiàn)了從單一地址空間到多地址空間的“整體搬遷”。

 

 

圖3 改進后的程序架構(gòu)

設計解析

改進后的PMON設計架構(gòu),摒棄了將驅(qū)動程序掛載在Linux設備管理模塊的傳統(tǒng)思維,將各驅(qū)動程序掛載在自我編寫的驅(qū)動管理模塊上,從而避免了為適應Linux設備管理模塊,而大量改寫各驅(qū)動程序的工作量。

各驅(qū)動程序沒有掛載在Linux設備管理模塊上,并不等于失去了Linux動態(tài)管理模塊的功能,各驅(qū)動程序可編譯為模塊,而由驅(qū)動管理模塊通過request_module()和remove_module()的內(nèi)核符號調(diào)用來實現(xiàn)驅(qū)動的動態(tài)加載和移出主存,在嵌入式系統(tǒng)中有效地控制了內(nèi)存資源的使用。通過在內(nèi)核中,驅(qū)動管理模塊內(nèi)實現(xiàn)驅(qū)動的配置、初始化,設備和驅(qū)動的一致性檢查和驅(qū)動間的通信,避免了用戶層空間和內(nèi)核空間的反復陷入和上下文切換,提高了系統(tǒng)性能,這在一個支持熱插拔的系統(tǒng)中,對于硬件反復檢測的要求,尤為有效。[!--empirenews.page--]

由于在Linux操作系統(tǒng)看來,只存在一個虛擬設備,因此,在文件系統(tǒng)中,向用戶空間提供的接口必然統(tǒng)一,用戶進程不必考慮設備和驅(qū)動的完整一致性,使用戶進程的設計簡單干凈。驅(qū)動管理模塊作為一個虛擬設備,只向Linux的中斷管理模塊申請一個中斷號,而由新架構(gòu)中的中斷服務模塊,負責提供接口給各驅(qū)動程序用來注冊中斷處理函數(shù),并負責將中斷信號分發(fā)至各處理函數(shù)。這不僅滿足了各驅(qū)動程序的中斷要求,也解決了Linux系統(tǒng)中斷資源有限的問題。

新的架構(gòu)的設計,將工作量主要集中到了驅(qū)動管理模塊的設計上,驅(qū)動管理模塊其實就是獨立于Linux設備管理模塊的一個簡易設備管理模塊,要完成以下工作:實現(xiàn)驅(qū)動動態(tài)加載的功能,為各驅(qū)動程序提供注冊的統(tǒng)一接口,實現(xiàn)各驅(qū)動程序的配置和初始化,負責檢查各設備和驅(qū)動、各設備之間和各驅(qū)動之間的合法性和一致性,負責向Linux設備管理模塊注冊一個虛擬設備,負責將從用戶層進入虛擬設備的命令解析并分發(fā)至各驅(qū)動程序。而以上列舉的驅(qū)動管理模塊應完成的功能,在Nucleus中,實現(xiàn)各驅(qū)動程序的配置和初始化,負責檢查各設備和驅(qū)動、各設備之間和各驅(qū)動之間的合法性和一致性等功能是已經(jīng)完成的。

性能分析及移植結(jié)果

改進后的PMON軟件在Linux中的程序設計與傳統(tǒng)的Linux程序設計相比:

1)由于最大限度避免了用戶空間陷入內(nèi)核空間及內(nèi)核空間返回用戶空間時的上下文切換,性能顯著提高。

2)底層驅(qū)動為用戶空間提供了統(tǒng)一的驅(qū)動接口,簡化了用戶進程的設計。各驅(qū)動程序的移植也由于避開了為Linux設備管理接口而進行的改寫,從而顯著提高了開發(fā)效率。

3)中斷服務模塊的設計,有效地擴展了中斷資源。

4)對于Linux動態(tài)加載模塊功能的有效利用,有效節(jié)約了嵌入式系統(tǒng)中有限的內(nèi)存。

在PMON項目中,應用了改進后的程序設計,以6個人月的工作量便完成了原系統(tǒng)軟件的移植工作,且系統(tǒng)性能完全滿足設計要求。

結(jié)語

本文提出的將PMON軟件架構(gòu)由Nucleus移植到Linux中的方法,即單一設備、多個模塊、架構(gòu)整體搬遷,有效地提高了移植的效率和移植程序的性能。對于其他將單一地址空間程序移植到多地址空間操作系統(tǒng)的項目,也有一定的參考價值。由PMON軟件架構(gòu)在MIPS架構(gòu)下,從Nucleus操作系統(tǒng)中,移植到Linux操作系統(tǒng)后的結(jié)果來看,方案可行、廉價、高效。

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