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的一種，作為商業(yè)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(qū)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(yōu)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(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。它有著嚴格的內核模式和用戶模式的區(qū)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(yōu)點是系統穩(wěn)定健壯，但系統設計需要遵守特定的約束。

　　光纖環(huán)行網監(jiān)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(huán)形網上的數據抓取并轉發(fā)至12個千兆快速以太網口，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(guī)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(tài)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(guī)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