Nucleus嵌入式程序到Linux的移植方案
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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，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，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)動層的一個統(tǒng)一接口，一個負(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，可以視作一個二進(jìn)制程序塊，將這個架構(gòu)及程序移植到多地址空間的Linux操作系統(tǒng)中時，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。
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