一種基于L4微內(nèi)核的輕量級手機(jī)中間軟件

朱建新，趙亞輝

華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074

0 引言

現(xiàn)在，隨著手機(jī)硬件功能的快速增強(qiáng)，為了給手機(jī)提供靈活的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境，我們需要開發(fā)各種各樣的手機(jī)操作系統(tǒng)和軟件平臺。本世紀(jì)初，手機(jī)WAP瀏覽器平臺被用來訪問WAP網(wǎng)頁、圖片和下載手機(jī)鈴聲。之后，一些應(yīng)用平臺也被用來提供手機(jī)的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境，比如移動虛擬機(jī)（Java、BREW、WIPI等）。但是多數(shù)移動虛擬機(jī)只提供子自己特定的執(zhí)行環(huán)境，其應(yīng)用程序不兼容其它平臺。另外，多數(shù)手機(jī)應(yīng)用程序是用有平臺依賴性的API函數(shù)和庫編寫的，而且編譯的方式也不同。由于最初手機(jī)硬件的限制，比如有限的CPU功能和內(nèi)存空間，多數(shù)手機(jī)只包含一個單一的應(yīng)用執(zhí)行平臺。但是，隨著手機(jī)硬件的發(fā)展，在手機(jī)中應(yīng)用復(fù)雜的軟件架構(gòu)也越來越容易，比如Android、Symbian OS、Windows Mobile等。

為了在單個設(shè)備上運行多重虛擬機(jī)，每個虛擬機(jī)都必須是像一個擁有分層軟件模塊的可執(zhí)行目標(biāo)一樣可移植。另外考慮到手機(jī)設(shè)備的硬件資源有限的特征，為了減少程序執(zhí)行的時間，手機(jī)設(shè)備中的軟件系統(tǒng)必須是輕量級的。根據(jù)上面所述的需求，我們設(shè)計了一個基于L4微內(nèi)核的輕量級手機(jī)中間軟件。

1 相關(guān)研究

1.1 L4微內(nèi)核

L4微內(nèi)核是德國科學(xué)家Jochen Liedtke設(shè)計的第二代微內(nèi)核中的一個族。它包含操作系統(tǒng)基本的服務(wù)，如進(jìn)程控制、內(nèi)存管理和進(jìn)程間通信等。其進(jìn)程間通信功能優(yōu)于先前第一代微內(nèi)核。優(yōu)于其輕量級的體積和良好的性能，L4微內(nèi)核適用于在嵌入式平臺上實現(xiàn)虛級化。

在基于L4微內(nèi)核的虛擬機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)中，虛擬化的操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動分別作為一個服務(wù)進(jìn)程運行在L4微內(nèi)核上面，從而實現(xiàn)了虛擬化的用戶操作系統(tǒng)內(nèi)核與其它用戶操作系統(tǒng)或設(shè)備驅(qū)動之間的隔離。每個系統(tǒng)調(diào)用都被轉(zhuǎn)換成調(diào)用進(jìn)程和目標(biāo)服務(wù)間的進(jìn)程間通信（IPC）消息?；谖?nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 NICTA：Pistachio-embedded 系統(tǒng)架構(gòu)

澳大利亞國家信息與通信技術(shù)中心（NICTA）的嵌入式實時操作系統(tǒng)研究小組以嵌入式系統(tǒng)為目標(biāo)對卡爾斯魯爾大學(xué)研發(fā)的L4Ka：Pistachio進(jìn)行了擴(kuò)展實現(xiàn)了一個嵌入式操作系統(tǒng)NICTA：：Pistachio-embedded，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

這個操作系統(tǒng)的內(nèi)核選用Iguana提供大多數(shù)系統(tǒng)都需要的基本服務(wù)，如內(nèi)存管理和進(jìn)程調(diào)度。在Iguana上面運行著一個完全虛擬化的用戶態(tài)Linux內(nèi)核Wombat。Wombat是高度輕量級的而且可以運行在ARM等多種不同的硬件平臺上，它的性能和標(biāo)準(zhǔn)的Linux非常相近，甚至在一些性能指標(biāo)上超過了Linux。

1.2 高通公司的MSM芯片架構(gòu)和L4微內(nèi)核

美國高通公司把L4微內(nèi)核應(yīng)用到了他們最新研制的擁有雙CPU核（ARM9和ARM11）的MSM7000芯片上。在這個架構(gòu)中，為了提高移動手持終端的處理性能和穩(wěn)定性，操作系統(tǒng)被劃分為應(yīng)用操作系統(tǒng)和通信操作系統(tǒng)，且每個操作系統(tǒng)都運行在自己獨立的CPU核上，這意味著系統(tǒng)同時在L4微內(nèi)核上加載了兩個操作系統(tǒng)。在應(yīng)用操作系統(tǒng)一端，可以加載提供應(yīng)用服務(wù)功能的Windows mobile或其它手機(jī)操作系統(tǒng)，在通信操作系統(tǒng)一端加載提供通信服務(wù)功能的L4/Iguana的REX實時操作系統(tǒng)。

1.3 傳統(tǒng)的移動虛擬平臺

Sun公司的J2ME平臺、高通公司的BREW（Binary Runtime Environment for Wireless）[3]和 韓 國 TTA 公 司的 WIPI（Wireless Internet Platform for Inter-operability）[4]都是典型的支持動態(tài)安裝應(yīng)用程序的移動應(yīng)用平臺，它們可以在手機(jī)硬件平臺上作為一個虛擬機(jī)運行，為許多不同的手機(jī)硬件平臺提供通用的執(zhí)行環(huán)境。傳統(tǒng)的手機(jī)系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)的手持設(shè)備軟件架構(gòu)圖

圖4 總體系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)

我們提出的這種基于L4微內(nèi)核的輕量級可移植中間軟件可以在多種手機(jī)平臺上運行應(yīng)用程序。

2.1 總體系統(tǒng)架構(gòu)

與前面講述的高通公司的最新軟件架構(gòu)不同，我們的系統(tǒng)運行的目標(biāo)平臺是單處理器的嵌入式設(shè)備。在這個架構(gòu)中，有一個主控制操作系統(tǒng)或進(jìn)程運行在L4微內(nèi)核上面，它把每個虛擬機(jī)都當(dāng)作一個應(yīng)用程序來執(zhí)行。它們之間依靠進(jìn)程間通信機(jī)制（IPC）實現(xiàn)通信，如圖4所示。

2.2 支持多種虛擬機(jī)

大多數(shù)應(yīng)用平臺有著相似的架構(gòu)和運行方式，在這些平臺上運行應(yīng)用程序時，需要向應(yīng)用程序開發(fā)者提供一套應(yīng)用程序接口（API），并把它們映射到系統(tǒng)的硬件抽象層。因此，我們設(shè)計一種在單個設(shè)備中同時支持多種虛擬機(jī)的通用硬件抽象層，就像第二部分提出的基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，每個虛擬機(jī)都作為一個服務(wù)運行在我們的系統(tǒng)中，它可以獨立運行并下載自己的應(yīng)用程序。

2.3 通用的硬件抽象層

大多數(shù)虛擬機(jī)都有各自支持的各種設(shè)備的硬件抽象層，同時又有相同的API函數(shù)，所以每種合適不同硬件平臺的應(yīng)用程序代碼都是相似的。例如，BREW平臺中，在嵌入式文件系統(tǒng)中處理一個文件，BREW的應(yīng)用程序可以調(diào)用API函數(shù)IFILWEMGR_OpenFile()去調(diào)用在硬件抽象層中的函數(shù)OEMFS_Open()。同樣的，在WIPI平臺中，API函數(shù)MS_fsOpen()也為WIPI應(yīng)用程序開發(fā)者提供調(diào)用相應(yīng)的硬件抽象層函數(shù)的功能。

考慮到這些相似之處，為了支持系統(tǒng)頂層的應(yīng)用軟件層，我們設(shè)計了一個通用的硬件抽象層，它可以支持多種硬件平臺，提供的服務(wù)由這些設(shè)備的具有代表性的功能組成。

為了將這個通用硬件抽象層應(yīng)用到我們的手機(jī)中間軟件中，它必須符合下面3個需求：

1）代碼輕量級。傳統(tǒng)上，大多數(shù)虛擬機(jī)需要它自己的硬件抽象層，其中實現(xiàn)一個接口函數(shù)就要數(shù)百行的代碼。我們提出的這個通用硬件抽象層架構(gòu)繼承了一般的可調(diào)用函數(shù)，可以減少虛擬機(jī)的這些代碼；

2）簡單和靈活的移植性。由于我們封裝了一般的可調(diào)用函數(shù)，在移植一個新的虛擬機(jī)時，每個接口都可以被簡化；

3）可維護(hù)性和調(diào)試。在這個通用硬件抽象層架構(gòu)中，函數(shù)調(diào)用都被集中管理并被簡化，這樣就可以減少對系統(tǒng)維護(hù)和調(diào)試的投入。

3 原型實現(xiàn)

1）主控制任務(wù)。它是一個守護(hù)進(jìn)程任務(wù)，可以初始化和結(jié)束虛擬機(jī)。它同時用一個鏈表結(jié)構(gòu)記錄虛擬機(jī)運行信息。用這個任務(wù)提供的方法，系統(tǒng)可以獲取虛擬機(jī)的一個句柄，用這個句柄可以控制虛擬機(jī)，并可避免重復(fù)執(zhí)行虛擬機(jī)；

2）設(shè)備驅(qū)動服務(wù)（DDS）。它適合于各個設(shè)備驅(qū)動，比如LCD顯示器、鍵盤、串行口和Flash驅(qū)動。每個設(shè)備驅(qū)動作為一個獨立的服務(wù)運行，并在系統(tǒng)啟動時被初始化。我們實現(xiàn)了四個設(shè)備驅(qū)動服務(wù)（LCD、鍵盤、串行口和文件系統(tǒng)），其它設(shè)備驅(qū)動如MSM6100芯片集中的射頻設(shè)備驅(qū)動包含在高通公司的提供的函數(shù)庫，并且在沒有得到證書的情況下是被禁止使用的；

3）通用硬件抽象層服務(wù)（GPHAL）。是一個面向多種虛擬機(jī)的通用服務(wù)層，它可以為各種各樣的虛擬機(jī)提供具體的API。每個虛擬機(jī)可以調(diào)用GPHAL應(yīng)用程序接口去處理目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動。用這個層，可以減少為新建虛擬機(jī)調(diào)用抽象的API函數(shù)進(jìn)行的移植包修改工作。

4 平臺應(yīng)用

盡管我們提出的這種中間軟件是為擁有輕量級軟件架構(gòu)的手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的，不過它也可以適用于其它嵌入式設(shè)備。L4微內(nèi)核是一個帶有小TCB的輕量級內(nèi)核，包含我們的中間軟件層也只需要小于1M的存儲空間，它也可以嵌入到感測器設(shè)備或感測網(wǎng)絡(luò)中的一個感應(yīng)服務(wù)中。另外，我們的平臺有獨立的設(shè)備驅(qū)動和通用硬件抽象層，可以為感測網(wǎng)絡(luò)提供了靈活的軟件執(zhí)行環(huán)境。

5 結(jié)論

本文提出一個一個基于L4微內(nèi)核的輕量級手機(jī)中間軟件，它可以為多種虛擬機(jī)提供運行環(huán)境，并可以為在可移動設(shè)備和感測系統(tǒng)中的各種虛擬機(jī)提供靈活的軟件架構(gòu)。利用這個中間軟件平臺，為各種虛擬機(jī)開發(fā)的應(yīng)用程序可以不加修改便可運行在同一款手機(jī)上。因此，這個輕量級的手機(jī)中間軟件為各種智能手機(jī)提供獨立的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境，并且使應(yīng)用程序的移植和重用變得容易。

[1]Ben Leslie，Carl Van Schaik and Gernot Heiser。Wombat：a portable user-mode Linux for embedded systems。 In Proceedings of the 6th Linux。Conf.Au，Canberra，April,2005.

[2]Sun Microsystems。The Java ME Platform-Most Ubiquitous Application Platform for Mobile Devices.

[3]Qualcomm Inc。BREWapiTM OEM Porting Guide for MSMTM Platforms，2003.

[4]TTA，Wireless Internet Platform for Interoperability TTAS.KO06.0036/R3，2004，6.