RTOS到Linux的應(yīng)用移植的設(shè)計(jì)思路和細(xì)節(jié)

引言
　　在過(guò)去幾年中，Linux成功地取代了一些最主要的傳統(tǒng)RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）平臺(tái)，成為了各種各樣的嵌入式設(shè)備和應(yīng)用中首選的嵌入式操作系統(tǒng)。盡管一度曾被認(rèn)為是不重要的平臺(tái)，但今天嵌入式Linux已經(jīng)成為主流，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、手持和無(wú)線設(shè)備、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)以及電信設(shè)備等領(lǐng)域。Google公司在2007年11月發(fā)布的Android手機(jī)操作系統(tǒng)正是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，使得Linux在數(shù)字移動(dòng)電話業(yè)取得跨越式發(fā)展。
　　筆者在從臺(tái)式頻譜儀到手持式頻譜儀的項(xiàng)目研發(fā)中實(shí)現(xiàn)了RTOS到Linux的應(yīng)用移植。本文介紹了整體的設(shè)計(jì)思路和一些關(guān)鍵問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
　　1　RTOS到Linux的移植分析
　　幾乎所有的RTOS都有一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型，它由多線程的執(zhí)行（通常稱(chēng)為任務(wù)）構(gòu)成，包含在單一的地址空間中。在RTOS中，單一主程序下多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，具有很高的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
　　過(guò)去大多數(shù)嵌入式處理器沒(méi)有內(nèi)存管理單元，因此RTOS是單地址空間模式，即它們的物理地址和邏輯地址都是一樣的。然而目前大多數(shù)的中高端處理器配備了MMU（內(nèi)存管理單元）。在MMU的支持下，Linux采用虛擬內(nèi)存管理，將地址空間分為物理地址和虛擬地址，因此系統(tǒng)操作硬件時(shí)要進(jìn)行地址映射。
　　根據(jù)兩類(lèi)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，RTOS移植到Linux的基本框架如圖1所示。
　　
　　圖1　RTOS移植到Linux的基本框架
　　由圖1可看出，移植的基本步驟為：
　?、?RTOS的全部應(yīng)用代碼移植到一個(gè)Linux單進(jìn)程；
　?、?RTOS的任務(wù)轉(zhuǎn)換成Linux線程；
　?、?RTOS的物理地址空間映射到Linux的虛擬地址空間。
　　在具體的應(yīng)用移植過(guò)程中，還應(yīng)考慮在Linux系統(tǒng)下解決上層應(yīng)用實(shí)時(shí)響應(yīng)底層硬件中斷，應(yīng)用層與內(nèi)核層的異步通信、數(shù)據(jù)交換，以及多進(jìn)程、多線程的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。
　　2　RTOS到Linux的移植實(shí)現(xiàn)
　　2.1　地址映射
　　多數(shù)RTOS是針對(duì)較早的無(wú)MMU的CPU而設(shè)計(jì)，所以忽略了內(nèi)存管理部分，即使當(dāng)MMU問(wèn)世后也是這樣——不區(qū)分物理地址和虛擬地址。大多數(shù) RTOS還全部運(yùn)行在特權(quán)模式，雖然表面上看來(lái)是增強(qiáng)了性能，但全部的RTOS應(yīng)用和系統(tǒng)代碼都能夠訪問(wèn)整個(gè)地址空間、內(nèi)存映射過(guò)的設(shè)備以及其他I/O操作。這樣，即使存在差別，也很難把RTOS應(yīng)用程序代碼同驅(qū)動(dòng)程序代碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。
　　對(duì)于當(dāng)前包含MMU的處理器而言，Linux系統(tǒng)提供了復(fù)雜的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，使得進(jìn)程所能訪問(wèn)的虛擬內(nèi)存達(dá)到4 GB。
　　在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程的4 GB虛擬內(nèi)存空間［1］被分為兩個(gè)部分——用戶空間與內(nèi)核空間。用戶地址空間一般分布為0~3 GB，剩下的3~4 GB為內(nèi)核空間。上層應(yīng)用程序通常情況下只能訪問(wèn)用戶空間的虛擬地址，不能訪問(wèn)內(nèi)核空間的虛擬地址。應(yīng)用程序只有通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用（代表應(yīng)用程序進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行）等方式才可以訪問(wèn)到內(nèi)核空間。
　　而外設(shè)I/O資源是不在Linux內(nèi)核虛擬地址空間中的（如SRAM或硬件接口寄存器等），若需要訪問(wèn)某外設(shè)I/O資源，必須先將其物理地址映射到內(nèi)核虛擬地址空間中，然后才能在內(nèi)核空間中訪問(wèn)它。
　　Linux內(nèi)核訪問(wèn)外設(shè)I/O資源的方式有兩種：靜態(tài)映射（map_desc）和動(dòng)態(tài)映射（ioremap）。對(duì)于靜態(tài)映射，內(nèi)核在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通過(guò)map_desc結(jié)構(gòu)體靜態(tài)創(chuàng)建I/O資源到內(nèi)核地址空間的線性映射表（即page table），這種映射表是一一映射的關(guān)系。開(kāi)發(fā)人員可以自定義該I/O內(nèi)存資源映射后的虛擬地址。創(chuàng)建好了靜態(tài)映射表，在內(nèi)核或驅(qū)動(dòng)中訪問(wèn)該I/O資源時(shí)則無(wú)需再進(jìn)行ioremap映射，可以直接通過(guò)映射后的I/O虛擬地址去訪問(wèn)它。
　　這里主要討論更常用的動(dòng)態(tài)映射方式。動(dòng)態(tài)映射方式是直接通過(guò)內(nèi)核提供的ioremap函數(shù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一段外設(shè)I/O內(nèi)存資源到內(nèi)核虛擬地址的映射表，從而可以在內(nèi)核空間中訪問(wèn)這段I/O資源。代碼如下：
　　#define bcon*（volatile unsigned long*）ioremap（0x56000010，4）//動(dòng)態(tài)映射
　　上述代碼的含義是將0x56000010開(kāi)始的4字節(jié)的物理地址映射到內(nèi)核的虛擬地址中，返回的起始虛擬地址值賦給bcon宏定義。對(duì)宏定義的操作即對(duì)物理地址的操作。
　　ioremap宏定義在asm/io.h內(nèi)：
　　#define ioremap（addr， size）__ioremap（addr， size， 0）
　　__ioremap函數(shù)原型為（arm/mm/ioremap.c）：
　　void __iomem * __ioremap（unsigned long phys_addr， size_t size， unsigned long flags）;
　　其中，phys_addr為要映射的起始的I/O地址；size為要映射的空間的大??；flags為要映射的I/O空間和權(quán)限有關(guān)的標(biāo)志。
　　該函數(shù)返回映射后的內(nèi)核虛擬地址（3G~4G），接著便可以通過(guò)讀寫(xiě)該返回的內(nèi)核虛擬地址去訪問(wèn)這段I/O內(nèi)存資源。所以，在移植的開(kāi)始就應(yīng)該在頭文件中完成設(shè)備物理地址的映射，方便后續(xù)的開(kāi)發(fā)。