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(kāi)發(fā)各種各樣的手機(jī)操作系統(tǒng)和軟件平臺(tái)。本世紀(jì)初，手機(jī)WAP瀏覽器平臺(tái)被用來(lái)訪問(wèn)WAP網(wǎng)頁(yè)、圖片和下載手機(jī)鈴聲。之后，一些應(yīng)用平臺(tái)也被用來(lái)提供手機(jī)的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境，比如移動(dòng)虛擬機(jī)（Java、BREW、WIPI等）。但是多數(shù)移動(dòng)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(tái)。另外，多數(shù)手機(jī)應(yīng)用程序是用有平臺(tái)依賴(lài)性的API函數(shù)和庫(kù)編寫(xiě)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(gè)單一的應(yīng)用執(zhí)行平臺(tái)。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(lái)越容易，比如Android、Symbian OS、Windows Mobile等。

為了在單個(gè)設(shè)備上運(yùn)行多重虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)都必須是像一個(gè)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(shí)間，手機(jī)設(shè)備中的軟件系統(tǒng)必須是輕量級(jí)的。根據(jù)上面所述的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于L4微內(nèi)核的輕量級(jí)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(guó)科學(xué)家Jochen Liedtke設(shè)計(jì)的第二代微內(nèi)核中的一個(gè)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(jí)的體積和良好的性能，L4微內(nèi)核適用于在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛級(jí)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(dòng)分別作為一個(gè)服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行在L4微內(nèi)核上面，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬化的用戶(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核與其它用戶(hù)操作系統(tǒng)或設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的隔離。每個(gè)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。基于微內(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(guó)家信息與通信技術(shù)中心（NICTA）的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)研究小組以嵌入式系統(tǒng)為目標(biāo)對(duì)卡爾斯魯爾大學(xué)研發(fā)的L4Ka：Pistachio進(jìn)行了擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(gè)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(yùn)行著一個(gè)完全虛擬化的用戶(hù)態(tài)Linux內(nèi)核Wombat。Wombat是高度輕量級(jí)的而且可以運(yùn)行在ARM等多種不同的硬件平臺(tái)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(guò)了Linux。

1.2 高通公司的MSM芯片架構(gòu)和L4微內(nèi)核

美國(guó)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(gè)架構(gòu)中，為了提高移動(dòng)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(gè)操作系統(tǒng)都運(yùn)行在自己獨(dú)立的CPU核上，這意味著系統(tǒng)同時(shí)在L4微內(nèi)核上加載了兩個(gè)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

1.3 傳統(tǒng)的移動(dòng)虛擬平臺(tái)

Sun公司的J2ME平臺(tái)、高通公司的BREW（Binary Runtime Environment for Wireless）[3]和 韓 國(guó) TTA 公 司的 WIPI（Wireless Internet Platform for Inter-operability）[4]都是典型的支持動(dòng)態(tài)安裝應(yīng)用程序的移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)，它們可以在手機(jī)硬件平臺(tái)上作為一個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行，為許多不同的手機(jī)硬件平臺(tái)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(jí)可移植中間軟件可以在多種手機(jī)平臺(tái)上運(yùn)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(yùn)行的目標(biāo)平臺(tái)是單處理器的嵌入式設(shè)備。在這個(gè)架構(gòu)中，有一個(gè)主控制操作系統(tǒng)或進(jìn)程運(yùn)行在L4微內(nèi)核上面，它把每個(gè)虛擬機(jī)都當(dāng)作一個(gè)應(yīng)用程序來(lái)執(zhí)行。它們之間依靠進(jìn)程間通信機(jī)制（IPC）實(shí)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(tái)有著相似的架構(gòu)和運(yùn)行方式，在這些平臺(tái)上運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，需要向應(yīng)用程序開(kāi)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?cè)O(shè)計(jì)一種在單個(gè)設(shè)備中同時(shí)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(gè)虛擬機(jī)都作為一個(gè)服務(wù)運(yùn)行在我們的系統(tǒng)中，它可以獨(dú)立運(yùn)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(shí)又有相同的API函數(shù)，所以每種合適不同硬件平臺(tái)的應(yīng)用程序代碼都是相似的。例如，BREW平臺(tái)中，在嵌入式文件系統(tǒng)中處理一個(gè)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(tái)中，API函數(shù)MS_fsOpen()也為WIPI應(yīng)用程序開(kāi)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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)通用的硬件抽象層，它可以支持多種硬件平臺(tái)，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(gè)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(gè)需求：

1）代碼輕量級(jí)。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(shí)現(xiàn)一個(gè)接口函數(shù)就要數(shù)百行的代碼。我們提出的這個(gè)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(jiǎn)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(gè)新的虛擬機(jī)時(shí)，每個(gè)接口都可以被簡(jiǎn)化；

3）可維護(hù)性和調(diào)試。在這個(gè)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(jiǎn)化，這樣就可以減少對(duì)系統(tǒng)維護(hù)和調(diào)試的投入。

3 原型實(shí)現(xiàn)

1）主控制任務(wù)。它是一個(gè)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(shí)用一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)記錄虛擬機(jī)運(yùn)行信息。用這個(gè)任務(wù)提供的方法，系統(tǒng)可以獲取虛擬機(jī)的一個(gè)句柄，用這個(gè)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(dòng)服務(wù)（DDS）。它適合于各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，比如LCD顯示器、鍵盤(pán)、串行口和Flash驅(qū)動(dòng)。每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)運(yùn)行，并在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)被初始化。我們實(shí)現(xiàn)了四個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)（LCD、鍵盤(pán)、串行口和文件系統(tǒng)），其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)如MSM6100芯片集中的射頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)包含在高通公司的提供的函數(shù)庫(kù)，并且在沒(méi)有得到證書(shū)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(gè)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(gè)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(dòng)。用這個(gè)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(tái)應(yīng)用

盡管我們提出的這種中間軟件是為擁有輕量級(jí)軟件架構(gòu)的手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，不過(guò)它也可以適用于其它嵌入式設(shè)備。L4微內(nèi)核是一個(gè)帶有小TCB的輕量級(jí)內(nèi)核，包含我們的中間軟件層也只需要小于1M的存儲(chǔ)空間，它也可以嵌入到感測(cè)器設(shè)備或感測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)感應(yīng)服務(wù)中。另外，我們的平臺(tái)有獨(dú)立的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和通用硬件抽象層，可以為感測(cè)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(gè)一個(gè)基于L4微內(nèi)核的輕量級(jí)手機(jī)中間軟件，它可以為多種虛擬機(jī)提供運(yùn)行環(huán)境，并可以為在可移動(dòng)設(shè)備和感測(cè)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(gè)中間軟件平臺(tái)，為各種虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以不加修改便可運(yùn)行在同一款手機(jī)上。因此，這個(gè)輕量級(jí)的手機(jī)中間軟件為各種智能手機(jī)提供獨(dú)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.