嵌入式環境中Nucleus到Linux的程序移植方案

　　引言

　　Nucleus是單一地址空間操作系統的一種，作為商業化的嵌入式操作系統產品，曾被廣泛使用。在MIPS架構中，其操作系統和用戶程序完全工作在內核模式，且只占用和訪問0x80000000以上的線性地址空間。因此，在Nucleus中，操作系統和用戶程序工作在線性地址空間中，且用戶程序與內核服務之間沒有明顯的區分，進入內核服務更像是調用API(Application Program InteRFace)而不需要上下文切換。其優點是限制少，編程方便，但系統健壯性差。

　　Linux操作系統因其開放性和穩定性等優點，近年來為越來越多的嵌入式設計方案所采用。它有著嚴格的內核模式和用戶模式的區別，在MIPS架構中，用戶模式只能訪問0x80000000以下的空間，內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，而非線性地址空間，用戶進程在進入內核服務時，將以軟中斷的方式進行并伴隨著上下文切換。其優點是系統穩定健壯，但系統設計需要遵守特定的約束。

　　光纖環行網監控記費系統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。系統完成OC48光纖環形網上的數據抓取并轉發至12個千兆快速以太網口，支持基于規則的流分類、負載均衡和NETFOLW計費。PMON的軟件架構在MIPS下的Nucleus操作系統中已成功實現，現將PMON的軟件架構由Nucleus移植到Linux中，便要面臨從單一模式(內核模式)，單一地址空間到多模式(內核模式和用戶模式)，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

　　圖1描述了PMON軟件架構在Nucleus操作系統中的實現，其中主要包括各硬件驅動程序，硬件驅動層的一個統一接口，一個負責各驅動程序初始化、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，將這個架構及程序移植到多地址空間的Linux操作系統中時，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

　　PMON在Linux中的傳統解決方案

　　Linux中的傳統程序架構

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

　　各驅動程序處于Linux的內核層，各自對Linux的中斷管理模塊申請中斷。各驅動程序直接掛載于Linux的設備管理模塊，從而通過Linux的文件系統對用戶層提供各自的驅動管理、應用接口，驅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中的傳統程序架構

　　性能分析

　　以上描述的程序設計，符合Linux架構下設計的一般原則，結構清晰。驅動程序掛載在Linux的設備管理模塊上，可以利用Linux的Module特性，動態加載和卸載驅動，這對于支持熱插拔的系統非常有利。

　　但在移植的角度看來，各驅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，在一個具有規模的系統中，將導致中斷資源的短缺;由于各驅動都直接向Linux設備管理模塊掛載，致使在文件系統中有各自的接口，迫使對于驅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提供的設備接口也比較繁雜，沒有一致性的接口，調用各設備接口時，也沒有底層模塊為其調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，如果遵循傳統的Linux程序設計來將PMON軟件架構由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“整體搬遷”的方案。

　　改進后的PMON軟件在Linux中的程序架構

　　改進后的Linux中PMON程序架構如圖3所示。各驅動程序、驅動管理模塊(Driver Management)及中斷管理模塊在Linux內核中運行，而用戶進程在用戶空間中運行。各驅動程序編譯為多個模塊，而由驅動管理模塊向Linux設備管理模塊申請為一虛擬設備。就內核中的模塊而言，實現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

　　設計解析

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

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

　　由于在Linux操作系統看來，只存在一個虛擬設備，因此，在文件系統中，向用戶空間提供的接口必然統一，用戶進程不必考慮設備和驅動的完整一致性，使用戶進程的設計簡單干凈。驅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，而由新架構中的中斷服務模塊，負責提供接口給各驅動程序用來注冊中斷處理函數，并負責將中斷信號分發至各處理函數。這不僅滿足了各驅動程序的中斷要求，也解決了Linux系統中斷資源有限的問題。

　　新的架構的設計，將工作量主要集中到了驅動管理模塊的設計上，驅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:實現驅動動態加載的功能，為各驅動程序提供注冊的統一接口，實現各驅動程序的配置和初始化，負責檢查各設備和驅動、各設備之間和各驅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至各驅動程序。而以上列舉的驅動管理模塊應完成的功能，在Nucleus中，實現各驅動程序的配置和初始化，負責檢查各設備和驅動、各設備之間和各驅動之間的合法性和一致性等功能是已經完成的。

　　性能分析及移植結果

　　改進后的PMON軟件在Linux中的程序設計與傳統的Linux程序設計相比：

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

　　2)底層驅動為用戶空間提供了統一的驅動接口，簡化了用戶進程的設計。各驅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動態加載模塊功能的有效利用，有效節約了嵌入式系統中有限的內存。

　　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軟件的移植工作，且系統性能完全滿足設計要求。

　　結語

　　本文提出的將PMON軟件架構由Nucleus移植到Linux中的方法，即單一設備、多個模塊、架構整體搬遷，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的項目，也有一定的參考價值。由PMON軟件架構在MIPS架構下，從Nucleus操作系統中，移植到Linux操作系統后的結果來看，方案可行、廉價、高效。