引言

　　Nucleus是單一地址空間操作系統(tǒng)的一種,，作為商業(yè)化的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品,，曾被廣泛使用。在MIPS架構(gòu)中,，其操作系統(tǒng)和用戶程序完全工作在內(nèi)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(tǒng)和用戶程序工作在線性地址空間中，且用戶程序與內(nèi)核服務(wù)之間沒有明顯的區(qū)分,，進(jìn)入內(nèi)核服務(wù)更像是調(diào)用API(Application Program InteRFace)而不需要上下文切換,。其優(yōu)點(diǎn)是限制少,，編程方便，但系統(tǒng)健壯性差,。

　　Linux操作系統(tǒng)因其開放性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),，近年來為越來越多的嵌入式設(shè)計(jì)方案所采用。它有著嚴(yán)格的內(nèi)核模式和用戶模式的區(qū)別,，在MIPS架構(gòu)中,，用戶模式只能訪問0x80000000以下的空間，內(nèi)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(shí),，都介由TLB(Translation Lookaside Buffer)進(jìn)行虛擬專有地址到物理地址的映射。因此,，各用戶進(jìn)程運(yùn)行在各自虛擬地址空間內(nèi),，而非線性地址空間，用戶進(jìn)程在進(jìn)入內(nèi)核服務(wù)時(shí),，將以軟中斷的方式進(jìn)行并伴隨著上下文切換,。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定健壯，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵守特定的約束,。

　　光纖環(huán)行網(wǎng)監(jiān)控記費(fèi)系統(tǒng)PMON(Packet Over SONET Monitor)是華中科技大學(xué)電信系與美國Combrio公司合作的項(xiàng)目。系統(tǒng)完成OC48光纖環(huán)形網(wǎng)上的數(shù)據(jù)抓取并轉(zhuǎn)發(fā)至12個(gè)千兆快速以太網(wǎng)口,，支持基于規(guī)則的流分類,、負(fù)載均衡和NETFOLW計(jì)費(fèi)。PMON的軟件架構(gòu)在MIPS下的Nucleus操作系統(tǒng)中已成功實(shí)現(xiàn),，現(xiàn)將PMON的軟件架構(gòu)由Nucleus移植到Linux中,，便要面臨從單一模式(內(nèi)核模式)，單一地址空間到多模式(內(nèi)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(jià)的方案,。

　　PMON在Nucleus中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　圖1描述了PMON軟件架構(gòu)在Nucleus操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn),，其中主要包括各硬件驅(qū)動程序，硬件驅(qū)動層的一個(gè)統(tǒng)一接口,，一個(gè)負(fù)責(zé)各驅(qū)動程序初始化,、配置及一致性檢查的模塊，一個(gè)中斷服務(wù)接口,，各應(yīng)用程序或進(jìn)程及操作系統(tǒng)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(gè)二進(jìn)制程序塊,，將這個(gè)架構(gòu)及程序移植到多地址空間的Linux操作系統(tǒng)中時(shí),，便需要考慮各模塊應(yīng)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(gòu)

　　PMON在Linux中的傳統(tǒng)解決方案

　　Linux中的傳統(tǒng)程序架構(gòu)

　　圖2描述了在Linux操作系統(tǒng)中PMON軟件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu),。由于接口已被Linux操作系統(tǒng)所規(guī)范,，程序的設(shè)計(jì)工作集中在驅(qū)動模塊，負(fù)責(zé)各驅(qū)動程序初始化,、配置及一致性檢查的模塊,，及各應(yīng)用程序。

　　各驅(qū)動程序處于Linux的內(nèi)核層,，各自對Linux的中斷管理模塊申請中斷,。各驅(qū)動程序直接掛載于Linux的設(shè)備管理模塊，從而通過Linux的文件系統(tǒng)對用戶層提供各自的驅(qū)動管理,、應(yīng)用接口,，驅(qū)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(jìn)程,。

圖2    Linux中的傳統(tǒng)程序架構(gòu)

　　性能分析

　　以上描述的程序設(shè)計(jì),，符合Linux架構(gòu)下設(shè)計(jì)的一般原則，結(jié)構(gòu)清晰,。驅(qū)動程序掛載在Linux的設(shè)備管理模塊上,，可以利用Linux的Module特性，動態(tài)加載和卸載驅(qū)動,，這對于支持熱插拔的系統(tǒng)非常有利,。

　　但在移植的角度看來，各驅(qū)動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,，沒有充分利用原來的代碼而增加了工作量;各驅(qū)動程序都要直接向Linux的中斷管理模塊申請中斷,，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,，迫使對于驅(qū)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(shè)備及驅(qū)動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，它需要面對的由文件系統(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)動程序,、驅(qū)動管理模塊(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)動程序編譯為多個(gè)模塊,，而由驅(qū)動管理模塊向Linux設(shè)備管理模塊申請為一虛擬設(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”,。

　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)動程序掛載在Linux設(shè)備管理模塊的傳統(tǒng)思維，將各驅(qū)動程序掛載在自我編寫的驅(qū)動管理模塊上,，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)動程序的工作量。

　　各驅(qū)動程序沒有掛載在Linux設(shè)備管理模塊上,，并不等于失去了Linux動態(tài)管理模塊的功能,，各驅(qū)動程序可編譯為模塊，而由驅(qū)動管理模塊通過request_module()和remove_module()的內(nèi)核符號調(diào)用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的動態(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,。通過在內(nèi)核中，驅(qū)動管理模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的配置,、初始化,，設(shè)備和驅(qū)動的一致性檢查和驅(qū)動間的通信，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,，對于硬件反復(fù)檢測的要求,，尤為有效。

　　由于在Linux操作系統(tǒng)看來,，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)動的完整一致性，使用戶進(jìn)程的設(shè)計(jì)簡單干凈,。驅(qū)動管理模塊作為一個(gè)虛擬設(shè)備,，只向Linux的中斷管理模塊申請一個(gè)中斷號，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)動程序用來注冊中斷處理函數(shù),，并負(fù)責(zé)將中斷信號分發(fā)至各處理函數(shù),。這不僅滿足了各驅(qū)動程序的中斷要求，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)動管理模塊的設(shè)計(jì)上，驅(qū)動管理模塊其實(shí)就是獨(dú)立于Linux設(shè)備管理模塊的一個(gè)簡易設(shè)備管理模塊,，要完成以下工作:實(shí)現(xiàn)驅(qū)動動態(tài)加載的功能,，為各驅(qū)動程序提供注冊的統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動程序的配置和初始化,，負(fù)責(zé)檢查各設(shè)備和驅(qū)動,、各設(shè)備之間和各驅(qū)動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)動程序,。而以上列舉的驅(qū)動管理模塊應(yīng)完成的功能，在Nucleus中,，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動程序的配置和初始化,，負(fù)責(zé)檢查各設(shè)備和驅(qū)動、各設(shè)備之間和各驅(qū)動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)動為用戶空間提供了統(tǒng)一的驅(qū)動接口,，簡化了用戶進(jìn)程的設(shè)計(jì),。各驅(qū)動程序的移植也由于避開了為Linux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)對于Linux動態(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

　　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)果來看，方案可行,、廉價(jià),、高效。