Nucleus嵌入式程序到Linux的移植方案
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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(guò)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(guò)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。
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。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
評(píng)論