基于無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性

楊會(huì)新

（河南思維軌道交通技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450001）

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其硬件升級(jí)提供更好性能的同時(shí)，也帶來(lái)一些嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用的問(wèn)題。嵌入式系統(tǒng)通常面向?qū)Ｓ玫墓δ?，面向控制，其軟件一般和其運(yùn)行的硬件平臺(tái)緊密相關(guān)。特別是那些微控制器沒(méi)有內(nèi)存管理單元（MMU）的嵌入式硬件平臺(tái)，管理底層硬件的驅(qū)動(dòng)代碼與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能的代碼作為一個(gè)軟件整體存在于嵌入式系統(tǒng)中。無(wú)論應(yīng)用功能調(diào)整還是硬件部件更新均須完整更換其軟件。即使是局部變更，表現(xiàn)出來(lái)的卻是全部變更，使得升級(jí)的測(cè)試邊界被放大，導(dǎo)致增加系統(tǒng)測(cè)試、維護(hù)的成本。

如果在無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)中，能實(shí)現(xiàn)完成應(yīng)用功能的代碼（簡(jiǎn)稱：應(yīng)用軟件）與硬件驅(qū)動(dòng)代碼（簡(jiǎn)稱：系統(tǒng)軟件）分離，以各自獨(dú)立的形態(tài)存在于嵌入式系統(tǒng)中，且應(yīng)用軟件具有與硬件無(wú)關(guān)性，那么這種系統(tǒng)架構(gòu)能提供清晰的變更邊界，軟、硬件變更的相互制約大大降低，同時(shí)也降低系統(tǒng)升級(jí)、變更的測(cè)試、維護(hù)成本，甚至有可能實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用軟件像通用計(jì)算機(jī)軟件一樣，不用重新生成即可運(yùn)行于不同硬件條件的嵌入式設(shè)備上，添加新功能軟件，而不中斷現(xiàn)有的服務(wù)功能。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出軟件模擬MMU的方法，從實(shí)用角度考慮，無(wú)MMU的微處理器相對(duì)資源較少，運(yùn)算能力較弱，增加軟件模擬MMU的開(kāi)銷，值得商榷。文獻(xiàn)[3]的分析表明，能在無(wú)MMU平臺(tái)上支持應(yīng)用分離的ucLinux最少內(nèi)核也在100 KB以上，在無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)用也有頗多資源限制。文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[7]都涉及到軟硬件分離的討論，但基本都是基于建立一種軟件邏輯架構(gòu)方面的研究，少有提及軟件部署方面的軟硬件分離。本文探索一種新的方法，在無(wú)MMU的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的硬件無(wú)關(guān)性，應(yīng)用軟件與系統(tǒng)軟件以分離形式部署。

1　應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)硬件無(wú)關(guān)性原理

應(yīng)用軟件要做到與硬件無(wú)關(guān)（本文不討論與硬件指令集的無(wú)關(guān)性），要實(shí)現(xiàn)以下幾方面的硬件無(wú)關(guān)性：（1）指令尋址與硬件無(wú)關(guān)性，即軟件運(yùn)行不依賴于存儲(chǔ)位置或加載位置；（2）不直接操控實(shí)現(xiàn)其功能的硬件部件。

1.1　具有MMU的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性的原理

在具有MMU的系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件通過(guò)使用MMU，建立了虛擬地址空間[8]，系統(tǒng)軟件加載應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行重新定位操作，確定應(yīng)用軟件運(yùn)行的地址，應(yīng)用軟件運(yùn)行于虛擬地址空間，由MMU完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。這樣應(yīng)用軟件使用的地址與運(yùn)行平臺(tái)的具體硬件無(wú)關(guān)，不僅實(shí)現(xiàn)了指令尋址與硬件無(wú)關(guān)，還可使用比實(shí)際物理地址空間大的多的虛擬地址空間。此技術(shù)極大地方便應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

對(duì)支撐應(yīng)用軟件完成其功能的硬件部件的訪問(wèn)，都被封裝于操作系統(tǒng)及硬件驅(qū)動(dòng)軟件中，應(yīng)用軟件需要使用硬件部件完成某個(gè)功能，通常是通過(guò)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼或傳遞給硬件驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)完成，通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)程序屏蔽具體硬件的差異[9]。系統(tǒng)調(diào)用在應(yīng)用軟件代碼中，是使用類似軟中斷的指令碼實(shí)現(xiàn)控制流由應(yīng)用軟件切換進(jìn)入操作系統(tǒng)，并不像常規(guī)函數(shù)調(diào)用那樣使用的是函數(shù)地址，這樣就與系統(tǒng)調(diào)用代碼的位置無(wú)關(guān)了。這些系統(tǒng)調(diào)用接口都是高度抽象的，與實(shí)際硬件特性無(wú)關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用軟件與受控硬件的無(wú)關(guān)性。應(yīng)用軟件并不用關(guān)心硬件部件的寄存器地址、位定義、操作時(shí)序等，即使硬件部件更換，也能保證系統(tǒng)調(diào)用接口不變，應(yīng)用軟件也就無(wú)須做相應(yīng)的變動(dòng)。如圖1所示。

圖1　具有MMU的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性原理示意圖

此種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，引入MMU硬件部件，也提升了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。這類系統(tǒng)一般都需要運(yùn)行復(fù)雜的、大規(guī)模的操作系統(tǒng)軟件才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

1.2　具有段寄存器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性的原理

此類系統(tǒng)使用的是段地址+段內(nèi)偏移地址的方式尋址，典型的代表是Intel的X86系統(tǒng)。

此類系統(tǒng)的應(yīng)用軟件指令被編譯為基于段寄存器的尋址方式，在應(yīng)用軟件加載和運(yùn)行時(shí)，確定其段寄存器的內(nèi)容，通過(guò)段寄存器與指令尋址偏移地址，硬件部件運(yùn)算得出具體的硬件地址。這樣軟件代碼的尋址是相對(duì)于段寄存器，而段寄存器在加載運(yùn)行時(shí)可重定位，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件尋址與實(shí)際物理地址無(wú)關(guān)。

對(duì)于硬件部件訪問(wèn)的硬件無(wú)關(guān)性，以X86經(jīng)典的DOS操作系統(tǒng)為例，DOS提供了大量的中斷服務(wù)程序，完成對(duì)硬件部件的訪問(wèn)，應(yīng)用軟件正是通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)其控制硬件完成的功能。進(jìn)入中斷服務(wù)程序的中斷指令與地址無(wú)關(guān)。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)者一般是使用設(shè)計(jì)語(yǔ)言提供的系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)函數(shù)，由庫(kù)函數(shù)使用中斷指令調(diào)用操作系統(tǒng)提供的中斷服務(wù)程序。當(dāng)然DOS允許在應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序來(lái)操控硬件部件以實(shí)現(xiàn)特定的功能，這樣在提供靈活性的同時(shí)，也使得應(yīng)用軟件不能完全做到硬件無(wú)關(guān)。如圖2所示。

此類系統(tǒng)架構(gòu)有一定局限性，尋址空間有限，對(duì)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)南拗啤?/p>

1.3　無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性的原理

無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)中，無(wú)前述兩類系統(tǒng)中的特殊硬件部件來(lái)支持實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件尋址的硬件無(wú)關(guān)性。要實(shí)現(xiàn)硬件無(wú)關(guān)性，首先從軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)上入手，對(duì)系統(tǒng)整個(gè)軟件劃分邏輯層次，明確應(yīng)用功能與底層支撐層的界線，確定抽象調(diào)用接口。軟件邏輯架構(gòu)方面的論述文獻(xiàn)較多，此處不作展開(kāi)[10]。下文以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與系統(tǒng)軟件部署分離方面的原理進(jìn)行闡述。

圖2　具有段寄存器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性原理示意圖

（1）應(yīng)用軟件中的尋址可分為兩類：代碼與只讀數(shù)據(jù)的尋址；可讀寫數(shù)據(jù)的尋址。這兩類尋址在編譯應(yīng)用軟件時(shí)，都要選擇編譯為位置無(wú)關(guān)目標(biāo)碼。這樣應(yīng)用軟件內(nèi)部的尋址都是位置無(wú)關(guān)的相對(duì)尋址。

（2）系統(tǒng)軟件加載應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)，由于其內(nèi)部尋址為位置無(wú)關(guān)的相對(duì)尋址，只需轉(zhuǎn)入其加載位置的軟件入口地址，無(wú)須進(jìn)行軟件重定位。對(duì)于可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，則需要為其分配存儲(chǔ)空間位置。應(yīng)用軟件對(duì)位置無(wú)關(guān)的可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)的訪問(wèn)需要通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)基址寄存器進(jìn)行相對(duì)尋址實(shí)現(xiàn)。所以，由系統(tǒng)軟件切換至應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)，還需要為其設(shè)置數(shù)據(jù)基址寄存器。至此實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件尋址的硬件無(wú)關(guān)性。

（3）系統(tǒng)軟件要提供系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，應(yīng)用軟件通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)操控硬件部件完成其功能。系統(tǒng)調(diào)用的接口類似1.1中所述系統(tǒng)，是硬件特性無(wú)關(guān)的調(diào)用接口。這就要求無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)要提供軟件中斷或?qū)Ｓ玫南到y(tǒng)調(diào)用機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。例如ARM的Cortex-M系列處理器就提供了SVC機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。

無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性原理如圖3所示。

圖3　無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性原理示意圖

2　實(shí)現(xiàn)方法

硬件平臺(tái)為ARM Cortex-M系列處理器，使用Keil uVision5作為開(kāi)發(fā)軟件。

2.1　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)要求

編寫應(yīng)用軟件代碼，需要使用位置無(wú)關(guān)的方式。比如不能使用“__attribute__((at(address))) variable attribute”指定變量的位置；不能使用“__attribute__((section("section_name")))”指定其放置位置。

在嵌入?yún)R編代碼中不能使用“LDR Rn, = 標(biāo)號(hào)”這樣的語(yǔ)句，因?yàn)檫@種語(yǔ)句生成目標(biāo)代碼時(shí)，會(huì)寫入標(biāo)號(hào)的地址值，這破壞了代碼運(yùn)行位置無(wú)關(guān)性，也就不能實(shí)現(xiàn)硬件無(wú)關(guān)性。

所有對(duì)硬件部件的訪問(wèn)都通過(guò)系統(tǒng)軟件提供的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行。系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)可以用Cortex-M處理器提供SVC機(jī)制或軟中斷方式。推薦使用SVC機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于應(yīng)用軟件而言，就像使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)一樣。

在 keil軟 件“Options of target” 對(duì) 話 框 的C/C++、ASM選項(xiàng)卡選擇“Read-Only Position Independent”和“Read-Write Position Independent”編譯選項(xiàng)，也就是編譯命令行參數(shù)“/ropi”和“/rwpi”；linker選 項(xiàng) 卡 選 擇“Make RW Sections Independent”、“Make RO Sections Position Independent”，也就是鏈接命令行參數(shù)“--rwpi”、“--ropi”。注意使用位置無(wú)關(guān)編譯、鏈接選項(xiàng)時(shí)，不能使用分散加載文件“*.sct”來(lái)描述存儲(chǔ)空間。如果使用了分散加載文件，編譯鏈接時(shí)，會(huì)有警告錯(cuò)誤，指出忽略位置無(wú)關(guān)命令行選項(xiàng)開(kāi)關(guān)。

如上所述，就可以生成運(yùn)行位置無(wú)關(guān)的應(yīng)用軟件了。

2.2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求

（1）應(yīng)用軟件加載運(yùn)行的要求。如前文所述，系統(tǒng)軟件要加載應(yīng)用軟件運(yùn)行，需要做一些特定的工作。對(duì)通用的編譯器產(chǎn)生的可執(zhí)行應(yīng)用軟件文件，要通過(guò)自制工具軟件附加一些信息，生成系統(tǒng)軟件使用的文件。附加的信息主要包括應(yīng)用軟件執(zhí)行入口地址（相對(duì)文件頭的偏移）、數(shù)據(jù)區(qū)大小、堆棧大小。系統(tǒng)軟件啟動(dòng)運(yùn)行后，根據(jù)應(yīng)用軟件描述信息（類似啟動(dòng)腳本），加載應(yīng)用軟件，根據(jù)應(yīng)用軟件文件附加的信息，為其分配所需資源，轉(zhuǎn)入應(yīng)用軟件入口執(zhí)行。

（2）系統(tǒng)調(diào)用的要求。使用SVC機(jī)制提供滿足應(yīng)用軟件訪問(wèn)硬件部件的系統(tǒng)調(diào)用，如_svc(svc_no)func_ret func(func_param)。系統(tǒng)調(diào)用的接口設(shè)計(jì)可參考通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口，便于應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、仿真驗(yàn)證、移植等工作。在實(shí)際響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用，返回應(yīng)用軟件時(shí)，應(yīng)設(shè)置應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)基址寄存器，保證應(yīng)用軟件能正確訪問(wèn)靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)。

2.3　實(shí)現(xiàn)的局限性

無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)微處理器的存儲(chǔ)空間通常是不連續(xù)的，另外處理器廠商可能為平衡性價(jià)比，不同存儲(chǔ)區(qū)域的性能也有所不同。由于應(yīng)用軟件使用位置無(wú)關(guān)編譯鏈接選項(xiàng)時(shí)，不能使用分散加載文件描述不連續(xù)的存儲(chǔ)空間，使得應(yīng)用軟件只能使用一塊連續(xù)代碼區(qū)和一塊連續(xù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，這對(duì)代碼規(guī)模大和要求大數(shù)據(jù)區(qū)的應(yīng)用而言就有很大限制。對(duì)于應(yīng)用軟件代碼規(guī)模大的，只能拆分成多個(gè)應(yīng)用。對(duì)于數(shù)據(jù)區(qū)要求大的，只能通過(guò)系統(tǒng)軟件提供的系統(tǒng)調(diào)用動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間，在軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)使用上有所不便。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)性的意義，討論了在無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的原理，并結(jié)合Cortex-M系列處理器，Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境，提出了無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件硬件無(wú)關(guān)的方法，為改變目前大部分此類系統(tǒng)只能建立單一的硬件相關(guān)軟件的現(xiàn)狀進(jìn)行了有價(jià)值的探索，便于建立更加靈活、易于升級(jí)、性價(jià)比更高的嵌入式系統(tǒng)。進(jìn)一步發(fā)展，有望在無(wú)MMU嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件一次發(fā)布運(yùn)行于不同硬件條件的嵌入式設(shè)備；在運(yùn)行設(shè)備上添加新功能軟件，而不中斷現(xiàn)有服務(wù)功能。

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