基于嵌入式环境中Nucleus到Linux的程序移植方案

以嵌入式环境中，MIPS架构下，程序从Nucleus到Linux操作系统的移植为例，探讨了从单一地址空间操作系统到多地址空间操作系统的程序移植方案，对多种方案进行了比较择优，提出了单一设备、多个模块、架构整体搬迁的移植方案。从移植的结果来看，方案可行、廉价、高效。

引言

Nucleus是单一地址空间操作系统的一种，作为商业化的嵌入式操作系统产品，曾被广泛使用。在MIPS架构中，其操作系统和用户程序完全工作在内核模式，且只占用和访问0x80000000以上的线性地址空间。因此，在Nucleus中，操作系统和用户程序工作在线性地址空间中，且用户程序与内核服务之间没有明显的区分，进入内核服务更像是调用API(ApplicatiON Program Interface)而不需要上下文切换。其优点是限制少，编程方便，但系统健壮性差。

Linux操作系统因其开放性和稳定性等优点，近年来为越来越多的嵌入式设计方案所采用。它有着严格的内核模式和用户模式的区别，在MIPS架构中，用户模式只能访问0x80000000以下的空间，内核模式可以访问所有的空间，而在任何模式下访问0x80000000以下的空间时，都介由TLB(Translation Lookaside Buffer)进行虚拟专有地址到物理地址的映射。因此，各用户进程运行在各自虚拟地址空间内，而非线性地址空间，用户进程在进入内核服务时，将以软中断的方式进行并伴随着上下文切换。其优点是系统稳定健壮，但系统设计需要遵守特定的约束。

光纤环行网监控记费系统PMON(Packet Over SONET Monitor)是华中科技大学电信系与美国Combrio公司合作的项目。系统完成OC48光纤环形网上的数据抓取并转发至12个千兆快速以太网口，支持基于规则的流分类、负载均衡和NETFOLW计费。PMON的软件架构在MIPS下的Nucleus操作系统中已成功实现，现将PMON的软件架构由Nucleus移植到Linux中，便要面临从单一模式(内核模式)，单一地址空间到多模式(内核模式和用户模式)，多地址空间的问题，本文就此提出了一种高效，廉价的方案。

PMON在Nucleus中的设计实现

图1描述了PMON软件架构在Nucleus操作系统中的实现，其中主要包括各硬件驱动程序，硬件驱动层的一个统一接口，一个负责各驱动程序初始化、配置及一致性检查的模块，一个中断服务接口，各应用程序或进程及操作系统本身。各模块的划分只是程序在逻辑上的分割，它们都处于同一线性地址空间中，可以视作一个二进制程序块，将这个架构及程序移植到多地址空间的Linux操作系统中时，便需要考虑各模块应工作在什么地址空间及什么工作模式下。

图1 Nucleus中的程序架构

PMON在Linux中的传统解决方案

Linux中的传统程序架构

图2描述了在Linux操作系统中PMON软件的传统设计架构。由于接口已被Linux操作系统所规范，程序的设计工作集中在驱动模块，负责各驱动程序初始化、配置及一致性检查的模块，及各应用程序。

各驱动程序处于Linux的内核层，各自对Linux的中断管理模块申请中断。各驱动程序直接挂载于Linux的设备管理模块，从而通过Linux的文件系统对用户层提供各自的驱动管理、应用接口，驱动的配置和一致性检查等模块将置于用户层中，同处于用户层的还有各用户进程。

图2 Linux中的传统程序架构

性能分析

以上描述的程序设计，符合Linux架构下设计的一般原则，结构清晰。驱动程序挂载在Linux的设备管理模块上，可以利用Linux的Module特性，动态加载和卸载驱动，这对于支持热插拔的系统非常有利。

但在移植的角度看来，各驱动程序都需要为了适应Linux的接口而进行相当程度的改写，没有充分利用原来的代码而增加了工作量;各驱动程序都要直接向Linux的中断管理模块申请中断，在一个具有规模的系统中，将导致中断资源的短缺;由于各驱动都直接向Linux设备管理模块挂载，致使在文件系统中有各自的接口，迫使对于驱动程序配置和一致性检查管理的模块置于用户层，每一次对于设备及驱动的完整及一致性检查都要进行上下文切换，效率极低。在用户进程看来，它需要面对的由文件系统提供的设备接口也比较繁杂，没有一致性的接口，调用各设备接口时，也没有底层模块为其调用设备组合的合法性作出检查和保证。

改进后的PMON在Linux中的解决方案

从以上分析可见，如果遵循传统的Linux程序设计来将PMON软件架构由Nucleus移植到Linux中，效果不能令人满意。为此提出一个设备多个模块，架构“整体搬迁”的方案。

改进后的PMON软件在Linux中的程序架构

改进后的Linux中PMON程序架构如图3所示。各驱动程序、驱动管理模块(Driver Management)及中断管理模块在Linux内核中运行，而