Nucleus嵌入式程序到Linux的移植方案

 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(wù)之間沒有明顯的區(qū)分，進(jìn)入內(nèi)核服務(wù)更像是調(diào)用API(ApplicatiON Program Interface)而不需要上下文切換。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，近年來(lái)為越來(lái)越多的嵌入式設(shè)計(jì)方案所采用。它有著嚴(yán)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(shí)，都介由TLB(Translation Lookaside Buffer)進(jìn)行虛擬專有地址到物理地址的映射。因此，各用戶進(jìn)程運(yùn)行在各自虛擬地址空間內(nèi)，而非線性地址空間，用戶進(jìn)程在進(jìn)入內(nèi)核服務(wù)時(shí)，將以軟中斷的方式進(jìn)行并伴隨著上下文切換。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定健壯，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵守特定的約束。

光纖環(huán)行網(wǎng)監(jiān)控記費(fèi)系統(tǒng)PMON(Packet Over SONET Monitor)是華中科技大學(xué)電信系與美國(guó)Combrio公司合作的項(xiàng)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(gè)千兆快速以太網(wǎng)口，支持基于規(guī)則的流分類、負(fù)載均衡和NETFOLW計(jì)費(fèi)。PMON的軟件架構(gòu)在MIPS下的Nucleus操作系統(tǒng)中已成功實(shí)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(jià)的方案。

PMON在Nucleus中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖1描述了PMON軟件架構(gòu)在Nucleus操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，其中主要包括各硬件驅(qū)動(dòng)程序，硬件驅(qū)動(dòng)層的一個(gè)統(tǒng)一接口，一個(gè)負(fù)責(zé)各驅(qū)動(dòng)程序初始化、配置及一致性檢查的模塊，一個(gè)中斷服務(wù)接口，各應(yīng)用程序或進(jìn)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(gè)二進(jìn)制程序塊，將這個(gè)架構(gòu)及程序移植到多地址空間的Linux操作系統(tǒng)中時(shí)，便需要考慮各模塊應(yīng)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(shè)計(jì)架構(gòu)。由于接口已被Linux操作系統(tǒng)所規(guī)范，程序的設(shè)計(jì)工作集中在驅(qū)動(dòng)模塊，負(fù)責(zé)各驅(qū)動(dòng)程序初始化、配置及一致性檢查的模塊，及各應(yīng)用程序。

各驅(qū)動(dòng)程序處于Linux的內(nèi)核層，各自對(duì)Linux的中斷管理模塊申請(qǐng)中斷。各驅(qū)動(dòng)程序直接掛載于Linux的設(shè)備管理模塊，從而通過Linux的文件系統(tǒng)對(duì)用戶層提供各自的驅(qū)動(dòng)管理、應(yīng)用接口，驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(shè)計(jì)，符合Linux架構(gòu)下設(shè)計(jì)的一般原則，結(jié)構(gòu)清晰。驅(qū)動(dòng)程序掛載在Linux的設(shè)備管理模塊上，可以利用Linux的Module特性，動(dòng)態(tài)加載和卸載驅(qū)動(dòng)，這對(duì)于支持熱插拔的系統(tǒng)非常有利。

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

改進(jìn)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(shè)計(jì)來(lái)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(gè)設(shè)備多個(gè)模塊，架構(gòu)“整體搬遷”的方案。

改進(jìn)后的PMON軟件在Linux中的程序架構(gòu)

改進(jìn)后的Linux中PMON程序架構(gòu)如圖3所示。各驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)管理模塊(Driver Management)及中斷管理模塊在Linux內(nèi)核中運(yùn)行，而用戶進(jìn)程在用戶空間中運(yùn)行。各驅(qū)動(dòng)程序編譯為多個(gè)模塊，而由驅(qū)動(dòng)管理模塊向Linux設(shè)備管理模塊申請(qǐng)為一虛擬設(shè)備。就內(nèi)核中的模塊而言，實(shí)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(jìn)后的程序架構(gòu)

設(shè)計(jì)解析

改進(jìn)后的PMON設(shè)計(jì)架構(gòu)，摒棄了將驅(qū)動(dòng)程序掛載在Linux設(shè)備管理模塊的傳統(tǒng)思維，將各驅(qū)動(dòng)程序掛載在自我編寫的驅(qū)動(dòng)管理模塊上，從而避免了為適應(yīng)Linux設(shè)備管理模塊，而大量改寫各驅(qū)動(dòng)程序的工作量。

各驅(qū)動(dòng)程序沒有掛載在Linux設(shè)備管理模塊上，并不等于失去了Linux動(dòng)態(tài)管理模塊的功能，各驅(qū)動(dòng)程序可編譯為模塊，而由驅(qū)動(dòng)管理模塊通過request_module()和remove_module()的內(nèi)核符號(hào)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)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(dòng)管理模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的配置、初始化，設(shè)備和驅(qū)動(dòng)的一致性檢查和驅(qū)動(dòng)間的通信，避免了用戶層空間和內(nèi)核空間的反復(fù)陷入和上下文切換，提高了系統(tǒng)性能，這在一個(gè)支持熱插拔的系統(tǒng)中，對(duì)于硬件反復(fù)檢測(cè)的要求，尤為有效。

由于在Linux操作系統(tǒng)看來(lái)，只存在一個(gè)虛擬設(shè)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(jìn)程不必考慮設(shè)備和驅(qū)動(dòng)的完整一致性，使用戶進(jìn)程的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單干凈。驅(qū)動(dòng)管理模塊作為一個(gè)虛擬設(shè)備，只向Linux的中斷管理模塊申請(qǐng)一個(gè)中斷號(hào)，而由新架構(gòu)中的中斷服務(wù)模塊，負(fù)責(zé)提供接口給各驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)注冊(cè)中斷處理函數(shù)，并負(fù)責(zé)將中斷信號(hào)分發(fā)至各處理函數(shù)。這不僅滿足了各驅(qū)動(dòng)程序的中斷要求，也解決了Linux系統(tǒng)中斷資源有限的問題。[!--empirenews.page--]

新的架構(gòu)的設(shè)計(jì)，將工作量主要集中到了驅(qū)動(dòng)管理模塊的設(shè)計(jì)上，驅(qū)動(dòng)管理模塊其實(shí)就是獨(dú)立于Linux設(shè)備管理模塊的一個(gè)簡(jiǎn)易設(shè)備管理模塊，要完成以下工作:實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載的功能，為各驅(qū)動(dòng)程序提供注冊(cè)的統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)程序的配置和初始化，負(fù)責(zé)檢查各設(shè)備和驅(qū)動(dòng)、各設(shè)備之間和各驅(qū)動(dòng)之間的合法性和一致性，負(fù)責(zé)向Linux設(shè)備管理模塊注冊(cè)一個(gè)虛擬設(shè)備，負(fù)責(zé)將從用戶層進(jìn)入虛擬設(shè)備的命令解析并分發(fā)至各驅(qū)動(dòng)程序。而以上列舉的驅(qū)動(dòng)管理模塊應(yīng)完成的功能，在Nucleus中，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)程序的配置和初始化，負(fù)責(zé)檢查各設(shè)備和驅(qū)動(dòng)、各設(shè)備之間和各驅(qū)動(dòng)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(jìn)后的PMON軟件在Linux中的程序設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的Linux程序設(shè)計(jì)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(shí)的上下文切換，性能顯著提高。

2)底層驅(qū)動(dòng)為用戶空間提供了統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口，簡(jiǎn)化了用戶進(jìn)程的設(shè)計(jì)。各驅(qū)動(dòng)程序的移植也由于避開了為L(zhǎng)inux設(shè)備管理接口而進(jìn)行的改寫，從而顯著提高了開發(fā)效率。

3)中斷服務(wù)模塊的設(shè)計(jì)，有效地?cái)U(kuò)展了中斷資源。

4)對(duì)于Linux動(dòng)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(xiàng)目中，應(yīng)用了改進(jìn)后的程序設(shè)計(jì)，以6個(gè)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(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

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(shè)備、多個(gè)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(duì)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(xiàng)目，也有一定的參考價(jià)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(lái)看，方案可行、廉價(jià)、高效。