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RTOS到Linux的应用移植的设计思路和细节
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2017-10-19
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引言
在过去几年中，Linux成功地取代了一些最主要的传统RTOS（实时操作系统）平台，成为了各种各样的嵌入式设备和应用中首选的嵌入式操作系统。尽管一度曾被认为是不重要的平台，但今天嵌入式Linux已经成为主流，广泛应用于消费电子、手持和无线设备、数据联网以及电信设备等领域。Google公司在2007年11月发布的Android手机操作系统正是基于Linux内核的操作系统，使得Linux在数字移动电话业取得跨越式发展。
笔者在从台式频谱仪到手持式频谱仪的项目研发中实现了RTOS到Linux的应用移植。本文介绍了整体的设计思路和一些关键问题的实现细节。
1 RTOS到Linux的移植分析
几乎所有的RTOS都有一个简单的编程模型，它由多线程的执行（通常称为任务）构成，包含在单一的地址空间中。在RTOS中，单一主程序下多任务同时运行，具有很高的实时响应能力。
过去大多数嵌入式处理器没有内存管理单元，因此RTOS是单地址空间模式，即它们的物理地址和逻辑地址都是一样的。然而目前大多数的中高端处理器配备了MMU（内存管理单元）。在MMU的支持下，Linux采用虚拟内存管理，将地址空间分为物理地址和虚拟地址，因此系统操作硬件时要进行地址映射。
根据两类系统的体系结构，RTOS移植到Linux的基本框架如图1所示。
图1 RTOS移植到Linux的基本框架
由图1可看出，移植的基本步骤为：
① RTOS的全部应用代码移植到一个Linux单进程；
② RTOS的任务转换成Linux线程；
③ RTOS的物理地址空间映射到Linux的虚拟地址空间。
在具体的应用移植过程中，还应考虑在Linux系统下解决上层应用实时响应底层硬件中断，应用层与内核层的异步通信、数据交换，以及多进程、多线程的设计等问题。
2 RTOS到Linux的移植实现
2.1 地址映射
多数RTOS是针对较早的无MMU的CPU而设计，所以忽略了内存管理部分，即使当MMU问世后也是这样——不区分物理地址和虚拟地址。大多数 RTOS还全部运行在特权模式，虽然表面上看来是增强了性能，但全部的RTOS应用和系统代码都能够访问整个地址空间、内存映射过的设备以及其他I/O操作。这样，即使存在差别，也很难把RTOS应用程序代码同驱动程序代码区分开来。
对于当前包含MMU的处理器而言，Linux系统提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的虚拟内存达到4 GB。
在Linux系统中，进程的4 GB虚拟内存空间［1］被分为两个部分——用户空间与内核空间。用户地址空间一般分布为0~3 GB，剩下的3~4 GB为内核空间。上层应用程序通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。应用程序只有通过系统调用（代表应用程序进程在内核态执行）等方式才可以访问到内核空间。
而外设I/O资源是不在Linux内核虚拟地址空间中的（如SRAM或硬件接口寄存器等），若需要访问某外设I/O资源，必须先将其物理地址映射到内核虚拟地址空间中，然后才能在内核空间中访问它。
Linux内核访问外设I/O资源的方式有两种：静态映射（map_desc）和动态映射（ioremap）。对于静态映射，内核在系统启动时通过map_desc结构体静态创建I/O资源到内核地址空间的线性映射表（即page table），这种映射表是一一映射的关系。开发人员可以自定义该I/O内存资源映射后的虚拟地址。创建好了静态映射表，在内核或驱动中访问该I/O资源时则无需再进行ioremap映射，可以直接通过映射后的I/O虚拟地址去访问它。
这里主要讨论更常用的动态映射方式。动态映射方式是直接通过内核提供的ioremap函数动态创建一段外设I/O内存资源到内核虚拟地址的映射表，从而可以在内核空间中访问这段I/O资源。代码如下：
#define bcon*（volatile unsigned long*）ioremap（0x56000010，4）//动态映射
上述代码的含义是将0x56000010开始的4字节的物理地址映射到内核的虚拟地址中，返回的起始虚拟地址值赋给bcon宏定义。对宏定义的操作即对物理地址的操作。
ioremap宏定义在asm/io.h内：
#define ioremap（addr， size）__ioremap（addr， size， 0）
__ioremap函数原型为（arm/mm/ioremap.c）：
void __iomem * __ioremap（unsigned long phys_addr， size_t size， unsigned long flags）;
其中，phys_addr为要映射的起始的I/O地址；size为要映射的空间的大小；flags为要映射的I/O空间和权限有关的标志。
该函数返回映射后的内核虚拟地址（3G~4G），接着便可以通过读写该返回的内核虚拟地址去访问这段I/O内存资源。所以，在移植的开始就应该在头文件中完成设备物理地址的映射，方便后续的开发。
在过去几年中，Linux成功地取代了一些最主要的传统RTOS（实时操作系统）平台，成为了各种各样的嵌入式设备和应用中首选的嵌入式操作系统。尽管一度曾被认为是不重要的平台，但今天嵌入式Linux已经成为主流，广泛应用于消费电子、手持和无线设备、数据联网以及电信设备等领域。Google公司在2007年11月发布的Android手机操作系统正是基于Linux内核的操作系统，使得Linux在数字移动电话业取得跨越式发展。
笔者在从台式频谱仪到手持式频谱仪的项目研发中实现了RTOS到Linux的应用移植。本文介绍了整体的设计思路和一些关键问题的实现细节。
1 RTOS到Linux的移植分析
几乎所有的RTOS都有一个简单的编程模型，它由多线程的执行（通常称为任务）构成，包含在单一的地址空间中。在RTOS中，单一主程序下多任务同时运行，具有很高的实时响应能力。
过去大多数嵌入式处理器没有内存管理单元，因此RTOS是单地址空间模式，即它们的物理地址和逻辑地址都是一样的。然而目前大多数的中高端处理器配备了MMU（内存管理单元）。在MMU的支持下，Linux采用虚拟内存管理，将地址空间分为物理地址和虚拟地址，因此系统操作硬件时要进行地址映射。
根据两类系统的体系结构，RTOS移植到Linux的基本框架如图1所示。
图1 RTOS移植到Linux的基本框架
由图1可看出，移植的基本步骤为：
① RTOS的全部应用代码移植到一个Linux单进程；
② RTOS的任务转换成Linux线程；
③ RTOS的物理地址空间映射到Linux的虚拟地址空间。
在具体的应用移植过程中，还应考虑在Linux系统下解决上层应用实时响应底层硬件中断，应用层与内核层的异步通信、数据交换，以及多进程、多线程的设计等问题。
2 RTOS到Linux的移植实现
2.1 地址映射
多数RTOS是针对较早的无MMU的CPU而设计，所以忽略了内存管理部分，即使当MMU问世后也是这样——不区分物理地址和虚拟地址。大多数 RTOS还全部运行在特权模式，虽然表面上看来是增强了性能，但全部的RTOS应用和系统代码都能够访问整个地址空间、内存映射过的设备以及其他I/O操作。这样，即使存在差别，也很难把RTOS应用程序代码同驱动程序代码区分开来。
对于当前包含MMU的处理器而言，Linux系统提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的虚拟内存达到4 GB。
在Linux系统中，进程的4 GB虚拟内存空间［1］被分为两个部分——用户空间与内核空间。用户地址空间一般分布为0~3 GB，剩下的3~4 GB为内核空间。上层应用程序通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。应用程序只有通过系统调用（代表应用程序进程在内核态执行）等方式才可以访问到内核空间。
而外设I/O资源是不在Linux内核虚拟地址空间中的（如SRAM或硬件接口寄存器等），若需要访问某外设I/O资源，必须先将其物理地址映射到内核虚拟地址空间中，然后才能在内核空间中访问它。
Linux内核访问外设I/O资源的方式有两种：静态映射（map_desc）和动态映射（ioremap）。对于静态映射，内核在系统启动时通过map_desc结构体静态创建I/O资源到内核地址空间的线性映射表（即page table），这种映射表是一一映射的关系。开发人员可以自定义该I/O内存资源映射后的虚拟地址。创建好了静态映射表，在内核或驱动中访问该I/O资源时则无需再进行ioremap映射，可以直接通过映射后的I/O虚拟地址去访问它。
这里主要讨论更常用的动态映射方式。动态映射方式是直接通过内核提供的ioremap函数动态创建一段外设I/O内存资源到内核虚拟地址的映射表，从而可以在内核空间中访问这段I/O资源。代码如下：
#define bcon*（volatile unsigned long*）ioremap（0x56000010，4）//动态映射
上述代码的含义是将0x56000010开始的4字节的物理地址映射到内核的虚拟地址中，返回的起始虚拟地址值赋给bcon宏定义。对宏定义的操作即对物理地址的操作。
ioremap宏定义在asm/io.h内：
#define ioremap（addr， size）__ioremap（addr， size， 0）
__ioremap函数原型为（arm/mm/ioremap.c）：
void __iomem * __ioremap（unsigned long phys_addr， size_t size， unsigned long flags）;
其中，phys_addr为要映射的起始的I/O地址；size为要映射的空间的大小；flags为要映射的I/O空间和权限有关的标志。
该函数返回映射后的内核虚拟地址（3G~4G），接着便可以通过读写该返回的内核虚拟地址去访问这段I/O内存资源。所以，在移植的开始就应该在头文件中完成设备物理地址的映射，方便后续的开发。
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