由X86 構(gòu)架到ARM 構(gòu)架的應(yīng)用移植流程平臺研究

冷 迪，陳 瑞，李 英

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

早期開發(fā)任務(wù)少，嵌入式系統(tǒng)功能單一，不需要操作系統(tǒng)支持[1]。但隨著功能和復(fù)雜性的增加，對系統(tǒng)的要求也越來越高。所以，像普通計算機(jī)一樣在處理器中引入操作系統(tǒng)就成了一個必然的趨勢[2]。由于操作系統(tǒng)的引入，能夠充分利用處理器有限的資源，實現(xiàn)不同CPU 進(jìn)程間的最佳切換，因此必然會把嵌入式系統(tǒng)引入到更廣闊的領(lǐng)域[3]。目前X86架構(gòu)虛擬化逐漸完善，但是仍然有些問題需要解決。小型機(jī)原CPU 單核數(shù)量較少，但單核率較高。但PC 服務(wù)器的CPU 內(nèi)核較多，單一CPU 內(nèi)核性能較差[4]。一些應(yīng)用在移植過程中表現(xiàn)出不同的性能，這是小型機(jī)過渡到PC 服務(wù)器時不可避免的共同問題。

以ARM 為基礎(chǔ)的嵌入式操作系統(tǒng)是目前信息市場的主流，也是一個熱門話題。由于應(yīng)用遷移過程平臺公開了源代碼，使其他人可以在自己喜歡的平臺系統(tǒng)中移植代碼和使用它，所以嵌入式操作系統(tǒng)受到關(guān)注，選擇該系統(tǒng)作為應(yīng)用遷移過程操作平臺。為此，提出了由X86 構(gòu)架到ARM 構(gòu)架的應(yīng)用移植流程平臺研究。

1 應(yīng)用移植流程平臺結(jié)構(gòu)層次化設(shè)計

由X86 構(gòu)架到ARM 構(gòu)架的應(yīng)用移植流程平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用移植流程平臺結(jié)構(gòu)

圖1是把內(nèi)核分成兩層，底層是驅(qū)動程序?qū)樱蠈邮翘摂M文件系統(tǒng)層。這些層對應(yīng)于內(nèi)核的兩個主要功能，驅(qū)動程序?qū)迂?fù)責(zé)管理底層硬件[5]。虛擬文件系統(tǒng)層為Linux上層應(yīng)用程序提供對L1的訪問。核心代碼按照其功能可分為進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)功能等模塊[6]。每一個模塊都很大，遷移過程中的主要工作是驅(qū)動設(shè)備控制。各開發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)不同，需要增加或改進(jìn)硬件驅(qū)動程序[7]。

1.1 平臺設(shè)備驅(qū)動

驅(qū)動程序通常與應(yīng)用程序遷移過程平臺內(nèi)核中的一個通用總線連接，例如USB、I2C等驅(qū)動程序[8]。但在嵌入式芯片中，很多設(shè)備都沒有與公共總線連接。

平臺設(shè)備驅(qū)動如圖2 所示。

由圖2 可知，使用USB 和I2C 總線控制器來控制主板上的設(shè)備，并通過一條廉價但功能強(qiáng)大的總線(包括兩根導(dǎo)線)收集相關(guān)信息；LCD 控制器的作用是接收總線發(fā)送的信息，計數(shù)器通過計算數(shù)字系統(tǒng)中脈沖數(shù)來實現(xiàn)測量、計數(shù)和控制[9-10]。聲道控制器采用聯(lián)機(jī)音樂控制方式，輸出DMX512/1990 信號，保證了系統(tǒng)的安全可靠[11]。

圖2 平臺設(shè)備驅(qū)動

1.2 LCD控制器

LCD 控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 LCD控制器結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，F(xiàn)CT 接收來自初始化、屏幕間隙和顯示器等參數(shù)的指令。它根據(jù)指令生成一系列控制信號和相應(yīng)的時序，并通過控制LCD 顯示模塊來完成相應(yīng)的操作[12]。在FCT 輸入LCD_FCT 為低電平時，對復(fù)位電路進(jìn)行初始化，對復(fù)位標(biāo)志和狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位，并設(shè)置相關(guān)常數(shù)[13]。

LCD 控制器的主要功能是為計時器提供高品質(zhì)的時間設(shè)定，LCD_FCT 中的微秒和毫秒計時器是為了滿足不同時間的工作要求而設(shè)計的[14-15]。

定時器的時間常數(shù)存放在時間常數(shù)寄存器中，將MP 中的地址和控制信息發(fā)送給解碼器。該解碼器可根據(jù)不同的地址和控制信息產(chǎn)生相應(yīng)的復(fù)位指令標(biāo)志，將指示符號發(fā)送到控制電路[16]。

1.3 Apache服務(wù)器

Apache 服務(wù)器是指Apache 服務(wù)器端口中的嵌入式系統(tǒng)。在HTTP 端口上，當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)出連接請求時，服務(wù)器軟件守護(hù)程序在客戶端和服務(wù)器之間建立連接。如果守護(hù)程序從客戶端收到HTTP 請求消息，那么就對其進(jìn)行解析，并將解析的請求傳遞給后臺處理程序。這個后端程序是PHP 和CGI。在對后端程序進(jìn)行處理之后，客戶端所需數(shù)據(jù)就會傳送到服務(wù)器端，最終呈現(xiàn)在網(wǎng)頁中。

1.4 觸摸屏驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)

R2R 平臺中，觸摸屏驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 觸摸屏驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)

由圖4 可知，如果高層應(yīng)用程序需要獲得觸摸屏坐標(biāo)，需要首先調(diào)用I2C 總線驅(qū)動程序，這些驅(qū)動程序的分層開放式系統(tǒng)調(diào)用打開文件界面，然后使用ioctl 或read 系統(tǒng)調(diào)用獲取所需的坐標(biāo)值。

由于輸入設(shè)備具有多個觸摸屏，因此鼠標(biāo)和鍵盤都是輸入設(shè)備。其基本工作機(jī)制是產(chǎn)生中斷，然后內(nèi)核將數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中。硬件方面，設(shè)置數(shù)據(jù)讀取、輸入事件管理、緩沖區(qū)管理共享模塊；所有這些常規(guī)處理由輸入驅(qū)動完成，剩下的是中斷管理、數(shù)據(jù)讀取和其他硬件驅(qū)動。

2 移植流程方案設(shè)計

Android 系統(tǒng)移植分析了UBOOT、Android 內(nèi)核、用戶空間的層次結(jié)構(gòu)；下一步，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)找到與遷移最相關(guān)的代碼。修改代碼以適應(yīng)硬件特性，完成代碼移植。開始運行系統(tǒng)前，編譯修改的UBOOT代碼，并使用RENEWS 刻錄機(jī)將BIN 文件(編譯結(jié)構(gòu))刻錄到R2R 平臺的引導(dǎo)風(fēng)扇上。修改后的內(nèi)核隨后被編譯，內(nèi)核鏡像被拷貝到端口主機(jī)的TFTP 目錄中；最后編譯成Android 文件系統(tǒng)，拷貝到U 盤。該系統(tǒng)首先啟動應(yīng)用程序，下載內(nèi)核，然后分析數(shù)據(jù)，最后內(nèi)核從U 盤讀取初始化文件，開始初始化操作，最后將初始進(jìn)程加載到Android 用戶空間。

2.1 引導(dǎo)程序移植

啟動程序是與架構(gòu)相關(guān)的一部分，是在運行操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之前啟動并加載系統(tǒng)的一小部分。一般情況下，不可能在嵌入式系統(tǒng)中建立通用的啟動遷移。用戶必須編寫此小程序，完成硬件設(shè)備的初始化，建立存儲空間映射，使系統(tǒng)軟硬件達(dá)到適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，才能使操作系統(tǒng)內(nèi)核良好運行。

通常引導(dǎo)程序移植分為兩步：

步驟一：CPU 依賴代碼使用匯編語言實現(xiàn)。其中主要包括對硬件設(shè)備進(jìn)行初始化；準(zhǔn)備內(nèi)存空間將引導(dǎo)程序復(fù)制到引導(dǎo)遷移設(shè)備上，設(shè)置堆棧讀取ARM 空間，完成檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；

步驟二：將內(nèi)核和根文件系統(tǒng)鏡像從Flash 讀取到ARM 空間；設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。引導(dǎo)程序移植的工作流程如圖5 所示。

圖5 引導(dǎo)程序移植工作流程

2.2 內(nèi)核移植

內(nèi)核移植啟動操作系統(tǒng)，執(zhí)行內(nèi)存管理任務(wù)調(diào)度，然后執(zhí)行應(yīng)用程序，或者等待用戶的指令。盡管在功能間存在著復(fù)雜的調(diào)度關(guān)系，但應(yīng)用遷移平臺的層次結(jié)構(gòu)使硬件相關(guān)代碼具有獨立性。在遷移過程中，只需要對進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備等進(jìn)行管理。對內(nèi)核代碼的修改包括以下部分：

1）在內(nèi)核目錄樹中修改項目構(gòu)建工具，設(shè)置環(huán)境變量，找到交叉編譯工具鏈，重新登錄。

2）建立灰色分區(qū)區(qū)域，修改ARM 表示的分區(qū)信息，使用灰色分區(qū)表創(chuàng)建文件內(nèi)容；修改ARM 文件，根據(jù)分區(qū)設(shè)置指定初始化和內(nèi)核啟動程序。

通過執(zhí)行MakeMenucon 命令，配置內(nèi)核生成卡，選擇SBC2410 位卡的處理器類型，將卡保存在串口中。在進(jìn)入配置管理界面時，必須先驗證用戶的身份。驗證是訪客訪問權(quán)的標(biāo)志，不同權(quán)限驗證對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)信息。

3 實驗分析

3.1 交叉開發(fā)環(huán)境構(gòu)建

移植之前，需確保主機(jī)上正確安裝了操作系統(tǒng)和GCC 跨工具編譯器鏈連接了目標(biāo)板上的USB、串行和JTAG 接口，并且成功安裝了驅(qū)動程序。該實驗使用安裝在主機(jī)上的RedHat9 和主機(jī)上的Linux 操作系統(tǒng)，以及ARM-Linux-GCC3 交叉編譯工具。

3.2 實驗結(jié)果與分析

單獨使用X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)與移植流程平臺對比分析信息存儲空間占用情況、重復(fù)信息剔除效率。

3.2.1 存儲空間

添加Flash 分區(qū)信息，在目標(biāo)板中的存儲空間為64 MB，將其劃分為4個區(qū)域，分別是分區(qū)1（占用1 MB空間）、分區(qū)2（占用3 MB 空間）、分區(qū)3（占用40 MB空間）、分區(qū)4（占用20 MB 空間）。

分別使用X86 架構(gòu)、ARM 架構(gòu)與移植流程平臺對空間占用情況進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同架構(gòu)空間占用情況對比分析

由圖6 可知，使用X86 架構(gòu)，分區(qū)1 所占空間為3 MB，分區(qū)2 所占空間為6 MB，分區(qū)3 所占空間為43 MB，分區(qū)4 所占空間為12 MB；使用ARM 架構(gòu)，分區(qū)1 所占空間為2 MB，分區(qū)2 所占空間為6 MB，分區(qū)3 所占空間為32 MB，分區(qū)4 所占空間為24 MB；使用移植流程平臺，分區(qū)1 所占空間為1 MB，分區(qū)2 所占空間為3 MB，分區(qū)3 所占空間為40 MB，分區(qū)4 所占空間為20 MB。由此可知，使用移植流程平臺在目標(biāo)板中的存儲空間分區(qū)結(jié)果與實際需求一致。

3.2.2 重復(fù)信息剔除效率

分別使用X86 架構(gòu)、ARM 架構(gòu)與移植流程平臺對比分析重復(fù)信息剔除效率，對比結(jié)果如表1 所示。

表1 不同架構(gòu)重復(fù)信息剔除效率對比分析

由表1 可知，使用X86 架構(gòu)最高剔除效率為60%；使用ARM 架構(gòu)最高剔除效率為75%；使用移植流程平臺最高剔除效率為99%，由此可知，使用移植流程平臺重復(fù)信息剔除效率較高。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計了一個由X86 構(gòu)架到ARM 構(gòu)架的應(yīng)用移植流程平臺，以滿足當(dāng)前社會發(fā)展的需要，具有良好的市場前景和強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。通過實驗可知，該平臺存儲空間分區(qū)結(jié)果與實際需求一致，其最高重復(fù)信息剔除效率高達(dá)99%，移植效果較好，具有較強(qiáng)的性能。根據(jù)平臺后期開發(fā)和運行的需要，提出了初步解決方案，為平臺的后期運行和產(chǎn)品開發(fā)提供了依據(jù)。