Gnuboy虛擬機(jī)技術(shù)在ARM Linux中的應(yīng)用及優(yōu)化研究

Gnuboy已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了i386匯編代碼的一些優(yōu)化工作，能夠在奔騰機(jī)器上運(yùn)行良好，除此之外，到目前為止，它能夠運(yùn)行的平臺(tái)還很有限。隨著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，PDA、Smartphone等嵌入式產(chǎn)品的功能不斷地得到擴(kuò)展，適應(yīng)用戶的需要， Gnuboy在嵌入式產(chǎn)品中的移植應(yīng)用非常具有前景。目前Gnuboy在ARM Linux下還沒有得到很好的應(yīng)用，本文就是在構(gòu)建的基于ARM920T Linux的嵌入式平臺(tái)上對(duì)gnuboy運(yùn)用進(jìn)行的嘗試性工作，同時(shí)， Gnuboy作為一種虛擬機(jī)技術(shù)，本文的工作對(duì)研究虛擬機(jī)技術(shù)在ARM L inux中的應(yīng)用也具有一定的價(jià)值。

硬件環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試板采用Motorola公司的MX1 Lite，系統(tǒng)的主要模塊有處理器內(nèi)核模塊、用戶接口模塊、連接設(shè)備模塊等，如圖1所示，下面分別進(jìn)行介紹。

1）處理器內(nèi)核模塊采用v4T體系結(jié)構(gòu)的ARM920T 內(nèi)核擁有16K的指令緩存和16K的數(shù)據(jù)緩存; 外部接口模塊提供了最多6 個(gè)片選信號(hào)來訪問外部設(shè)備，其中連接的12Kx16bits的NOR Flash 經(jīng)過配置用于系統(tǒng)啟動(dòng); SDRAM 控制器提供了對(duì)使用32Mx32bits的SDRAM的訪問控制。

2）用戶接口模塊由于MX1 L ite沒有模擬信號(hào)處理模塊，無法直接接收觸摸屏的輸入，所以本系統(tǒng)采用了TI的TSC2301芯片來支持觸摸屏的輸入功能，它與主芯片通過連續(xù)外設(shè)接口協(xié)議連接，它不僅可以接收觸摸屏的輸入，而且它還支持聲音數(shù)模轉(zhuǎn)換和輸入輸出等功能; LCD 控制器用于給外部液晶顯示屏提供顯示數(shù)據(jù)，LCD采用了Sharp 的20x240 HR - TFT LCD，它支持觸摸屏輸入，分辨率為320x240。

3）連接設(shè)備模塊包含有多媒體卡/數(shù)字安全主機(jī)控制模塊、內(nèi)存棒控制器和智能卡接口，以此來連接用于外部存儲(chǔ)的多媒體卡。

Gnuboy軟件結(jié)構(gòu)和一些工具軟件

Gnuboy是基于Qt系統(tǒng)的，可從圖2中看出它和整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系。本文構(gòu)建的基于ARM920T的嵌入式L inux平臺(tái)下采用的是嵌入式系統(tǒng)的QT 版本： QT/Embedded 和Qtop ia（QPE） ，這有助于模擬器的移植。

QT/Embedded和Qtopia

QT/Embedded和Qtopia是著名的QT庫開發(fā)商TrollTech開發(fā)的基于Framebuffer、面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本。它的特點(diǎn)是界面美觀、色彩配比好，使用與QT/Windows和QT/X11 完全一致的AP I接口，許多基于QT的程序可以非常方便地移植到嵌入式系統(tǒng)。Qtopia 包括了全套的個(gè)人信息管理PIM，如地址本、日程安排、游戲、配置工具等。QT/Embedded實(shí)現(xiàn)了對(duì)下層輸入設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和底層圖形接口以及各基類和AP I，它在編譯后生成函數(shù)庫被應(yīng)用程序調(diào)用。Qtopia也是以客戶/服務(wù)器的方式，通過消息機(jī)制來管理各種應(yīng)用程序。圖3描述了QT應(yīng)用程序的執(zhí)行方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中X Server是核心。

一些工具軟件

移植前需要在宿主機(jī)上建立ARM 的交叉編譯環(huán)境，主要用到的開發(fā)工具包括三個(gè)部分： binutils、gcc、glibc。

● Binutils — 用于操作二進(jìn)制文件的實(shí)用程序集合，包括諸如匯編器as、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具（ objdump、objcopy） 等這樣的實(shí)用程序;

● Gcc — GNUC編譯器（C編譯器gcc和C + +編譯器g + + ） ;

● Glibc —所有應(yīng)用程序?qū)㈡溄拥降腃庫。

可以直接從Internet上下載已經(jīng)編譯的二進(jìn)制文件安裝到PC機(jī)上，并相應(yīng)設(shè)置比如路徑等這樣一些比較簡(jiǎn)單的參數(shù)即可使用，但必須保證編譯時(shí)所用的函數(shù)庫版本與目標(biāo)板上運(yùn)行時(shí)所使用的函數(shù)庫版本的一致。ARM Developer Suite它是全套的實(shí)時(shí)開發(fā)軟件工具包，編譯器生成的代碼密度和執(zhí)行速度優(yōu)異，可快速低價(jià)地創(chuàng)建ARM結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

移植和優(yōu)化

Gnuboy是一種虛擬機(jī)機(jī)制，它對(duì)具體硬件的操作是通過操作系統(tǒng)（這里是L inux）來進(jìn)行的，圖4 為它對(duì)基于ARMlinux平臺(tái)硬件操作的抽象層次。

這個(gè)抽象層次也適用于在ARM Linux平臺(tái)下用C語言編寫的一般虛擬技術(shù)應(yīng)用。越是頂層越是抽象，代碼可移植性就越好;越是底層，越是硬件相關(guān)，代碼可移植性就越差，但代碼執(zhí)行速度越快。這也是一般虛擬機(jī)移植和優(yōu)化思想的體現(xiàn)，提高移植性，多運(yùn)用抽象的接口，提高速度，多一些直接操作硬件的代碼。

移植

Gnuboy在此平臺(tái)上的正確運(yùn)行需要解決中斷、提供Framebuffer支持、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、字符串到64位整數(shù)轉(zhuǎn)換等問題。

中斷問題

Gnuboy需要依賴宿主操作系統(tǒng)（這里是L inux）來提供輸入/輸出等基本服務(wù)，讓宿主操作系統(tǒng)作為它與硬件設(shè)備的中間人，這種游離于硬件通信細(xì)節(jié)之外的方法具有良好的可移植性，本文要解決的主要是提供對(duì)鍵盤輸入和游戲控制終端的中斷響應(yīng)和處理。

在本文構(gòu)建的平臺(tái)下，需要編寫相應(yīng)的鍵盤和游戲控制終端的Linux驅(qū)動(dòng)程序，以模塊方式加載后，在Gnuboy中打開該設(shè)備。對(duì)應(yīng)鍵盤處理，在Gnuboy中需要調(diào)整相應(yīng)的鍵盤設(shè)置代碼使之與系統(tǒng)一致。

提供Framebuffer支持

Framebuffer技術(shù)提供了一個(gè)訪問物理圖形設(shè)備的定義良好的接口，本文構(gòu)建的平臺(tái)下采用的是Qt系統(tǒng)的嵌入式版本，它是基于Framebuffer的， Gnuboy要在該平臺(tái)下運(yùn)行，必須提供對(duì)Framebuffer的支持。通過訪問/dev/ fb0來取得系統(tǒng)framebuffer中用于顯示圖像的數(shù)據(jù)和進(jìn)行處理。在Gnuboy中調(diào)用游戲畫面的Framebuffer地址和掃描方法也需要作響應(yīng)的修改。

修改Framebuffer地址，也就是獲得游戲畫面的開始地址在內(nèi)存中的位置。針對(duì)采用的LCD 的分辨率， 需要在Gnuboy中計(jì)算Framebuffer地址處做出相應(yīng)修改。對(duì)于本平臺(tái)中采用的LCD， Gnuboy刷新處理方法是從第一行開始，逐行刷新，同時(shí)由于一個(gè)像素采用兩個(gè)字節(jié)，因此在逐行刷新時(shí)，每次寫兩個(gè)字節(jié)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和字符串到64位整數(shù)轉(zhuǎn)換

在ARM Linux下可配置成大數(shù)端或者小數(shù)端格式來保存和處理整數(shù)數(shù)值，在Gnuboy中與數(shù)值存儲(chǔ)字節(jié)順序有關(guān)的代碼需要與之對(duì)應(yīng)。

Linux明顯缺乏用來把整數(shù)字符串轉(zhuǎn)換為64位整數(shù)的函數(shù)，如果字符串參數(shù)突破32位的極限，就有可能出問題，因此在Gnuboy需要提供字符串到64位整數(shù)的的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

設(shè)置啟動(dòng)模擬器路徑和編譯

在用戶已經(jīng)選擇好游戲Rom，點(diǎn)擊launch simulator按鈕觸發(fā)啟動(dòng)模擬器，進(jìn)入游戲功能，因此在Gnuboy代碼中需要獲得rom的絕對(duì)路徑，由于QT操作系統(tǒng)無法在代碼中直接運(yùn)行qtop iagnuboy命令，因此需要給出該可執(zhí)行文件的絕對(duì)路徑。

源代碼修改好以后，在Makefile中設(shè)定交叉編譯器： CC= arm - linux - gcc， CXX = arm - linux - g + +。編譯時(shí)要用到針對(duì)ARM的函數(shù)庫可以把函數(shù)庫放在一個(gè)自己建的一個(gè)目錄，為了讓gcc 在搜索函數(shù)庫時(shí)到指定的目錄中尋找，可在Makefile的通過- L參數(shù)添加存放針對(duì)ARM函數(shù)庫的目錄。例如QTOP IA L IBS = - L $（QPED IR） / lib。

經(jīng)過交叉編譯后把得到的可執(zhí)行文件qtop iagnuboy和qtop iagnuboyl燒到嵌入式系統(tǒng)中可以運(yùn)行，然后不足之處是畫面速度有些慢，這正是下面優(yōu)化要研究的問題。

Gnuboy在ARM Linux下的優(yōu)化

優(yōu)化概述

如果說CISC的指導(dǎo)思想之一是為了減輕編譯的負(fù)擔(dān)，R ISC則向編譯提出了更高的要求，ARM作為一種R ISC體系結(jié)構(gòu)，優(yōu)化問題顯得非常重要。從圖4 的抽象層次可以知道，對(duì)Gnuboy的優(yōu)化問題，概括來說是對(duì)它一些抽象代碼進(jìn)行硬件相關(guān)代碼替代的過程，并且越是底層的代碼，速度越快，這里直接用ARM匯編語言來改寫一些原來的C函數(shù)。前面的移植運(yùn)行結(jié)果已經(jīng)顯示， Gnuboy的圖像顯示較慢。它的函數(shù)void lcd refreshline （ ）的主要功能是使用已經(jīng)解碼好的圖像數(shù)據(jù)來完成游戲畫面的顯示。對(duì)它的優(yōu)化主要是對(duì)它里面調(diào)用的兩個(gè)用C語言所寫函數(shù)updatepatp ix （ ）和bg scan color （ ）函數(shù)的優(yōu)化。

本文采用了與機(jī)器相關(guān)優(yōu)化的優(yōu)化技術(shù)，與機(jī)器相關(guān)的優(yōu)化這里主要是寄存器分配問題，一般寄存器分配算法是基于一種稱為圖著色技術(shù)的。給定一個(gè)無向圖G= （V ， E ） ，V 是有限節(jié)點(diǎn)的集合，V = { v 1， v 2， 。， v n} ， E是邊的集合， E = { （ i， j ） | v i∈V ， v j∈V ， v i和v j相連} ， 圖著色問題要求找到一個(gè)k盡量小的所有節(jié)點(diǎn)的賦值（也稱“完全賦值”） C： V — 》 {1.k } ， 要求在該完全賦值中， 若（ i，j ） ∈E ， 則C （ v i） ≠C （ vj） 。

簡(jiǎn)化的圖著色技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)本文的優(yōu)化，第一階段是把C函數(shù)用偽ARM匯編指令（即用符號(hào)寄存器Ui替代真正ARM寄存器的ARM指令）改寫。

第二階段對(duì)符號(hào)寄存器U1～Un （ n 》 15）畫出相干圖并進(jìn)行著色，所謂對(duì)圖進(jìn)行著色是指給圖中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一種顏色，而且所有相鄰的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)都具有不同的顏色。這樣，每種顏色就對(duì)應(yīng)于處理器中的一個(gè)實(shí)際的物理寄存器，如此著色保證了所有可能發(fā)生沖突的符號(hào)寄存器都被賦予不同的物理寄存器。

假設(shè)n + 1個(gè)符號(hào)寄存器的相干圖如圖5 （ a）所示，其中結(jié)點(diǎn)是符號(hào)寄存器，而結(jié)點(diǎn)之間的弧線表示變量的生命周期有重疊，最少需要16種顏色才能避免相連結(jié)點(diǎn)顏色有重疊。由于ARM920T只有r0～r14等15個(gè)寄存器可用于存儲(chǔ)程序變量，小于16，也就是存在寄存器沖突問題，這個(gè)時(shí)候就可以通過選擇刪除一個(gè)結(jié)點(diǎn)（如圖中Un + 1） ，也就是把U6對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，以后再重裝入寄存器來達(dá)到對(duì)各寄存器進(jìn)行釋放的目的，見圖5 （ b）所示，虛線圓圈表示符號(hào)寄存器U16對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到存儲(chǔ)器中。

用上面介紹的方法對(duì)updatepatp ix和bg scan color函數(shù)進(jìn)行處理，得到的ARM匯編函數(shù)，用它們替換掉gnuboy源代碼中原先的C函數(shù)并進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件在構(gòu)建的測(cè)試板上運(yùn)行良好。下面對(duì)上面提到的優(yōu)化來進(jìn)行一些測(cè)試。

測(cè)試評(píng)估

用CodeWarrior forARM Developer Suite和AXD Debugger軟件測(cè)試優(yōu)化前后函數(shù)的運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果如表1所示。圖著色技術(shù)強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)活躍變量的100%分配，并且代碼需要寄存器數(shù)量越多，優(yōu)化效果越明顯，這從updatapatp ix和bg scan color函數(shù)的優(yōu)化中可以看出（前者代碼較后者復(fù)雜，需要存放的臨時(shí)變量也多） 。進(jìn)一步優(yōu)化gnuboy，可用類似的方法替換源代碼的另外一些影響速度較大的函數(shù)。

總結(jié)

本文構(gòu)建了一個(gè)基于ARM920T嵌入式Linux的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境， gnuboy作為一種虛擬機(jī)，應(yīng)用到這樣的嵌入式環(huán)境中遇到的問題具有一定的代表性，最需要解決的問題是速度問題，針對(duì)于此，本文實(shí)現(xiàn)了它在所構(gòu)建的平臺(tái)上的移植和一些優(yōu)化研究。

責(zé)任編輯：gt