Nucleus嵌入式程序到Linux的移植方案

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，而用户进程在用户空间中运行。各驱动程序编译为多个模块，而由驱动管理模块向Linux设备管理模块申请为一虚拟设备。就内核中的模块而言，实现了从单一地址空间到多地址空间的"整体搬迁"。

图3 改进后的程序架构

设计解析

改进后的PMON设计架构，摒弃了将驱动程序挂载在Linux设备管理模块的传统思维，将各驱动程序挂载在自我编写的驱动管理模块上，从而避免了为适应Linux设备管理模块，而大量改写各驱动程序的工作量。
各驱动程序没有挂载在Linux设备管理模块上，并不等于失去了Linux动态管理模块的功能，各驱动程序可编译为模块，而由驱动管理模块通过request_module()和remove_module()的内核符号调用来实现驱动的动态加载和移出主存，在嵌入式系统中有效地控制了内存资源的使用。通过在内核中，驱动管理模块内实现驱动的配置、初始化，设备和驱动的一致性检查和驱动间的通信，避免了用户层空间和内核空间的反复陷入和上下文切换，提高了系统性能，这在一个支持热插拔的系统中，对于硬件反复检测的要求，尤为有效。

由于在Linux操作系统看来，只存在一个虚拟设备，因此，在文件系统中，向用户空间提供的接口必然统一，用户进程不必考虑设备和驱动的完整一致性，使用户进程的设计简单干净。驱动管理模块作为一个虚拟设备，只向Linux的中断管理模块申请一个中断号，而由新架构中的中断服务模块，负责提供接口给各驱动程序用来注册中断处理函数，并负责将中断信号分发至各处理函数。这不仅满足了各驱动程序的中断要求，也解决了Linux系统中断资源有限的问题。

新的架构的设计，将工作量主要集中到了驱动管理模块的设计上，驱动管理模块其实就是独立于Linux设备管理模块的一个简易设备管理模块，要完成以下工作:实现驱动动态加载的功能，为各驱动程序提供注册的统一接口，实现各驱动程序的配置和初始化，负责检查各设备和驱动、各设备之间和各驱动之间的合法性和一致性，负责向Linux设备管理模块注册一个虚拟设备，负责将从用户层进入虚拟设备的命令解析并分发至各驱动程序。而以上列举的驱动管理模块应完成的功能，在Nucleus中，实现各驱动程序的配置和初始化，负责检查各设备和驱动、各设备之间和各驱动之间的合法性和一致性等功能是已经完成的。