嵌入式環(huán)境中Nucleus到Linux的程序移植方案

　　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(hù)程序完全工作在內(nèi)核模式，且只占用和訪問(wèn)0x80000000以上的線(xiàn)性地址空間。因此，在Nucleus中，操作系統(tǒng)和用戶(hù)程序工作在線(xiàn)性地址空間中，且用戶(hù)程序與內(nèi)核服務(wù)之間沒(méi)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(kāi)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(hù)模式的區(qū)別，在MIPS架構(gòu)中，用戶(hù)模式只能訪問(wèn)0x80000000以下的空間，內(nèi)核模式可以訪問(wèn)所有的空間，而在任何模式下訪問(wèn)0x80000000以下的空間時(shí)，都介由TLB(Translation Lookaside Buffer)進(jìn)行虛擬專(zhuān)有地址到物理地址的映射。因此，各用戶(hù)進(jìn)程運(yùn)行在各自虛擬地址空間內(nèi)，而非線(xiàn)性地址空間，用戶(hù)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(lèi)、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(hù)模式)，多地址空間的問(wèn)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(xiàn)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(guò)Linux的文件系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)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(hù)層中，同處于用戶(hù)層的還有各用戶(hù)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(xiě)，沒(méi)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(hù)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(hù)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(méi)有一致性的接口，調(diào)用各設(shè)備接口時(shí)，也沒(méi)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(jiàn)，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(mǎn)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(hù)進(jìn)程在用戶(hù)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)