侯佩儒，曹炳堯，宋英雄

(上海大學(xué) 特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室，上海 200444)

0 引言

隨著現(xiàn)有的工程系統(tǒng)越發(fā)規(guī)模大型化、需求復(fù)雜化、模塊細分化[1]，如：自動駕駛汽車的車載嵌入式系統(tǒng)平均具有1億行代碼，并分布在近100個嵌入式計算機中[2]。傳統(tǒng)的設(shè)計模式使用文檔，難以進行有效的模塊劃分與跨領(lǐng)域溝通，從而導(dǎo)致研制周期存在較高風(fēng)險。因此，出現(xiàn)了基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE，model-based systems engineering)。其采用標(biāo)準化建模的方式來支持系統(tǒng)的完整設(shè)計，改變了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)模式，尤其是對智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展催生出的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具備重要主導(dǎo)意義。目前，MBSE已廣泛應(yīng)用在航空航天[3-5]、國防軍工[6-7]、智慧城市[8]、軌道交通[9]等領(lǐng)域。

基于MBSE的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)設(shè)計包括需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、測試驗證和需求確認等多個環(huán)節(jié)[10-11]。其中，虛擬驗證在測試驗證中尤為重要，但卻一定程度上缺乏研究和探索[12]。由于嵌入式系統(tǒng)對硬件的依賴性強、場景專業(yè)性高、系統(tǒng)復(fù)雜性大，對嵌入式軟件開發(fā)進行虛擬驗證需要在實物集成前提前模擬異構(gòu)硬件系統(tǒng)，并考慮復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)。但是，目前仍缺乏高效通用、考慮整體的嵌入式模擬驗證工具或平臺。

虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，解決了單個嵌入式開發(fā)板的模擬問題。在本文中，每個利用虛擬化方式模擬的異構(gòu)子系統(tǒng)稱為虛擬設(shè)備。虛擬設(shè)備是指在MBSE模擬系統(tǒng)中，對應(yīng)嵌入式系統(tǒng)中可獨立分離的物理單元，用于驗證開發(fā)的軟件模擬組件。例如，在汽車部分自動化嵌入式系統(tǒng)中，有Arduino 和樹莓派兩個主從開發(fā)板模塊，前者連接控制電機的驅(qū)動器，后者連接多種傳感器進行數(shù)據(jù)處理與計算。這兩個模塊使用串行端口進行通信[13-14]，是互為可分離的物理單元，使用虛擬化技術(shù)模擬的這兩塊模塊單元即為虛擬設(shè)備。常用的虛擬化技術(shù)有操作系統(tǒng)層面虛擬化的Docker[15]、硬件開發(fā)板層面虛擬化的QEMU(Quick Emulator)[16-17]等。QEMU具有跨平臺、高速度、可移植等優(yōu)點，因此，本文選取QEMU來創(chuàng)建虛擬設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)中，各組件間最普遍的通信方式是基于網(wǎng)絡(luò)和串行端口的通信。關(guān)于虛擬設(shè)備間的通信調(diào)試，已有一些相關(guān)研究。例如，文獻[18]利用將QEMU中虛擬網(wǎng)卡與宿主機的tap虛擬網(wǎng)卡綁定的方式進行虛擬設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信；文獻[19]利用源定位技術(shù)、基于頻率發(fā)包與跟蹤技術(shù)等方法開發(fā)了可模擬CAN總線的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)平臺，可進行物理或虛擬控制設(shè)備的總線通信測試等。然而，關(guān)于串行端口通信調(diào)試的研究相對較少，主要是采用物理和虛擬兩種方式。物理方式是使用計算機上的真實物理串行端口進行測試，需要使用物理連接線完成端口間的連通，并將真實串行端口配置綁定到虛擬設(shè)備內(nèi)使用。這種方式測試簡單、可靠，但是僅支持小規(guī)模驗證，在大規(guī)模場景下時會面臨物理接線復(fù)雜、計算機的端口資源受限等問題。虛擬方式是采用模擬手段，在宿主機內(nèi)產(chǎn)生模擬串行端口供虛擬設(shè)備測試使用。相較于物理方式，該方式的優(yōu)點在于不依賴硬件、驗證成本低。在Windows系統(tǒng)中，已有成熟可用的虛擬串行端口工具VSPD(virtual serial port driver)。在Linux系統(tǒng)中，雖然沒有類似的工具，但可以借助pty(pseudo terminal)偽終端設(shè)備來實現(xiàn)虛擬設(shè)備間的通信。但是，不論是成熟工具VSPD還是系統(tǒng)自帶pty設(shè)備，都進行了嚴密的封裝，難以靈活接入統(tǒng)計或埋點接口，自定義調(diào)試難度較高，導(dǎo)致虛擬設(shè)備間的串行端口通信驗證較為困難。由上述論述可知，針對虛擬設(shè)備互聯(lián)問題，需要研究靈活可用的串行通信模擬技術(shù)，以便實現(xiàn)多組件間的通信調(diào)試。

本文針對在MBSE虛擬驗證環(huán)節(jié)，嵌入式虛擬設(shè)備間的串行端口通信問題展開研究，以實現(xiàn)在Linux系統(tǒng)環(huán)境下完成虛擬設(shè)備間串行通信的目標(biāo)，并支持復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的全面數(shù)字化模擬，對MBSE工程化的最后一步實施與落地、和我國“十四五”規(guī)劃深入推進數(shù)字化發(fā)展都具有重大意義。

1 基于串行端口的虛擬設(shè)備間通信方案設(shè)計

1.1 需求分析

為了解決復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的串行端口通信模擬驗證問題，需要首先構(gòu)建虛擬設(shè)備，并創(chuàng)建串行端口，再進行多個虛擬設(shè)備之間的通信。如圖1所示，通信時主要涉及到兩類主體對象：虛擬設(shè)備、串行端口鏈路，多個虛擬設(shè)備通過串行端口鏈路實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 基于串行端口的虛擬設(shè)備間通信方式

虛擬設(shè)備的主要作用是為嵌入式軟件提供接近硬件的運行環(huán)境，如：具備模擬的嵌入式外圍設(shè)備、能夠利用二進制翻譯等技術(shù)直接執(zhí)行異構(gòu)指令集代碼等。由于虛擬設(shè)備采用軟件邏輯構(gòu)建模擬，在驗證各單元的通信過程中，缺少物理串口介質(zhì)的鏈接。而在其中執(zhí)行串行通信時，必須依賴串行端口，才能保證模擬系統(tǒng)中的程序可以和物理設(shè)備無縫移植。那就必須要求虛擬設(shè)備中具有串行端口，才能進一步對串行端口設(shè)備進行開啟關(guān)閉、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等操作。

串行端口鏈路位于多個虛擬設(shè)備之外，由多個外部串行端口及之間的端口連接線構(gòu)成。其主要作用是接收虛擬設(shè)備中內(nèi)部虛擬串行端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪欢?，發(fā)送給另一個虛擬設(shè)備，從而為兩端虛擬設(shè)備的內(nèi)部虛擬串行端口之間建立可通信的串行鏈路通道，實現(xiàn)虛擬設(shè)備間的串行端口通信。為了使內(nèi)部虛擬串行端口使用該鏈路，還需要將內(nèi)外串行端口進行綁定或映射。

為實現(xiàn)總體方案設(shè)計，根據(jù)虛擬設(shè)備間進行串行端口通信的方式，提出了如圖2所示的功能需求。

圖2 基于串行端口的虛擬設(shè)備間通信功能需求

1.2 總體方案

根據(jù)上述功能需求分析，本文提出基于模擬串行端口的虛擬設(shè)備間通信架構(gòu)，如圖3所示。自下而上分為物理硬件層、虛擬設(shè)備層、串行通信層。

圖3 整體方案架構(gòu)

物理硬件層：為Linux系統(tǒng)的服務(wù)器或虛擬機，為上層實現(xiàn)提供必要的整體硬件環(huán)境；

虛擬設(shè)備層：為多個虛擬設(shè)備的模擬，包括內(nèi)部虛擬串行端口的創(chuàng)建與綁定，以及其他硬件模擬；

串行通信層：為最上層，負責(zé)創(chuàng)建、配置、連接外部串行端口，連接后外部串行端口對之間可以構(gòu)建出串行通信鏈路，通過內(nèi)外部串行端口綁定和該串行通信鏈路，多個虛擬設(shè)備間即可實現(xiàn)串行端口通信。

總體方案設(shè)計與實現(xiàn)時，主要考慮以下4個功能模塊的設(shè)計：

1)外部串行端口創(chuàng)建模塊：

該模塊負責(zé)在虛擬設(shè)備外部創(chuàng)建具備串行端口相關(guān)操作功能的設(shè)備，以供虛擬設(shè)備使用。鑒于已有虛擬串行端口工具具有強封裝的特點，難以在其中接入調(diào)試、監(jiān)控、埋點等功能，無法自定義配置，只能進行基本驗證。

本方案將自行編碼實現(xiàn)開放、可控的虛擬串行端口模擬。為了具備兼容性、可擴展性，以及支持測試代碼在無額外修改的情況下的可移植性，采用底層驅(qū)動開發(fā)的方式，分析Linux系統(tǒng)中的標(biāo)準串行端口驅(qū)動，在此基礎(chǔ)上類比開發(fā)虛擬的串行端口驅(qū)動。該種方案下，用戶在應(yīng)用層看到的虛擬串行端口與標(biāo)準串行端口是一致的，操作也相同，區(qū)別僅在于執(zhí)行底層操作時前者使用模擬方式，而后者使用物理方式。

2)外部串行端口配置：

為模擬創(chuàng)建的外部串行端口配置鏈路等相關(guān)參數(shù)。例如：配置該端口需要建立連接的另一個串行端口的索引信息，以便于后續(xù)鏈路構(gòu)建。

3)外部串行端口連接：

對于多個配置了對端信息的虛擬串行端口，連接對端的作用主要在于構(gòu)建接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的通信鏈路?？梢岳枚喾N方式傳遞兩端發(fā)送的消息，例如：管道、共享內(nèi)存、文件、消息隊列、網(wǎng)絡(luò)等。以文件交互方式為例，每個串行端口維護自己的屬性文件，并設(shè)置文件的寫入回調(diào)函數(shù)。在發(fā)送時將信息寫入對端串行端口對應(yīng)的文件中，對端文件觸發(fā)寫入回調(diào)，通知對端端口讀取文件，從而實現(xiàn)完整的收發(fā)過程。

相較于文件方式，網(wǎng)絡(luò)傳遞信息可開發(fā)度更高，也更具有分布式擴展性，更適合大規(guī)模MBSE系統(tǒng)虛擬驗證環(huán)節(jié)的云服務(wù)化。因此，本方案采用網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)多個串行端口的連接與鏈路構(gòu)建。

4)內(nèi)部虛擬串行端口創(chuàng)建與綁定模塊：

該模塊借助成熟的虛擬化軟件QEMU來實現(xiàn)虛擬設(shè)備的整體硬件模擬。并將模擬時創(chuàng)建的內(nèi)部虛擬串行端口與虛擬設(shè)備外、宿主機內(nèi)的外部串行端口進行綁定，將后者作為前者的設(shè)備后端，即可在虛擬設(shè)備內(nèi)使用外部串行端口實現(xiàn)具體功能。

根據(jù)上述設(shè)計可知，內(nèi)外部串行端口綁定之后，在虛擬設(shè)備內(nèi)對內(nèi)部串行端口執(zhí)行發(fā)送、接收等操作都是依靠外部串行端口及其通信鏈路來完成的。因此，本文接下來的研究重點是基于Linux系統(tǒng)底層驅(qū)動開發(fā)的虛擬外部串行端口模擬和其鏈路的構(gòu)建與實現(xiàn)。

2 Linux系統(tǒng)中標(biāo)準串行端口驅(qū)動分析

在進行模擬串行端口的底層驅(qū)動開發(fā)之前，需要先對Linux系統(tǒng)中標(biāo)準串行端口的驅(qū)動實現(xiàn)進行分析，以標(biāo)準驅(qū)動為參照類比設(shè)計與實現(xiàn)，確保系統(tǒng)對虛擬串行端口的兼容性和后續(xù)擴展性、可移植性。

2.1 串行端口驅(qū)動總述

串行端口是嵌入式系統(tǒng)中常用的硬件端口，有RS232、RS422、RS485等多種電氣標(biāo)準[20]。在Linux系統(tǒng)中，串行端口是一種tty(Teletypes)設(shè)備，用于串行地輸入、輸出數(shù)據(jù)。其設(shè)備驅(qū)動位于操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間，提供了計算機硬件與應(yīng)用程序的接口。在內(nèi)核空間實現(xiàn)虛擬串行端口的模擬，能真正做到上層軟件無感知。

Linux內(nèi)核中，使用cdev結(jié)構(gòu)體描述字符設(shè)備，該結(jié)構(gòu)體是所有字符設(shè)備的抽象[21]。串行端口的整體驅(qū)動框架如圖4所示。自右至左，驅(qū)動可分為3個層次，分別為字符設(shè)備層、tty核心層和串行端口硬件層。字符設(shè)備層將tty設(shè)備作為字符設(shè)備，提供系統(tǒng)調(diào)用的統(tǒng)一接口，即cdev結(jié)構(gòu)體的操作函數(shù)集。操作函數(shù)會進一步調(diào)用tty核心層的實現(xiàn)函數(shù)。tty核心層對底層硬件的具體形式進行解耦與抽象，負責(zé)將上層操作經(jīng)線路規(guī)程進行格式化協(xié)議轉(zhuǎn)換后，調(diào)用至下層。串行硬件核心層則真正地實現(xiàn)了對設(shè)備的管理和操作，直接與底層硬件交互，完成用戶請求。

圖4 串行端口驅(qū)動框架

自頂層向下，驅(qū)動主要包括uart_driver、tty_driver、uart_state、uart_port四大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。uart_driver是全局的根數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行了高度的軟件邏輯抽象，負責(zé)保存和控制其他所有結(jié)構(gòu)體信息。tty_driver是對tty層的具體實現(xiàn)；uart_state和uart_port是底層驅(qū)動的具體實現(xiàn)。整體而言，設(shè)備硬件和uart_state、uart_port一一對應(yīng)，而一個uart_driver對應(yīng)一個tty_driver和多個uart_state、uart_port，即多個同類型設(shè)備共用一種設(shè)備驅(qū)動。

完整的串行端口驅(qū)動主要包括驅(qū)動注冊、設(shè)備初始化、應(yīng)用操作3個部分。本章以Linux系統(tǒng)中8250串行端口為例，依次從這3個部分進行分析。

2.2 驅(qū)動注冊分析

在注冊前，8250串行端口的最上層驅(qū)動uart_driver通過dev_name成員指定該設(shè)備在Linux系統(tǒng)中對應(yīng)的字符設(shè)備文件名稱前綴，major和minor成員分別指定設(shè)備的主設(shè)備號和最大支持設(shè)備數(shù)量等。

之后，按照標(biāo)準串行端口的驅(qū)動注冊流程注冊。通過uart_register_driver()函數(shù)向內(nèi)核注冊上述uart_driver定義，并進行一系列初始化操作。為每個uart_state申請空間，初始化state的tty_port成員，并為驅(qū)動分配與初始化tty_driver，設(shè)置其操作函數(shù)集。該函數(shù)集即為系統(tǒng)調(diào)用的接口，構(gòu)建起Linux內(nèi)核驅(qū)動和用戶空間交互的橋梁。最后進行tty_driver的注冊，將其掛載到全局tty驅(qū)動鏈表，并進行proc文件相關(guān)的注冊。此時，雖然在內(nèi)核上注冊了驅(qū)動，但還沒有對接真正的硬件端口。

2.3 設(shè)備初始化分析

當(dāng)硬件設(shè)備接入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會根據(jù)圖4左上角所示的平臺驅(qū)動，調(diào)用設(shè)備獨有的dw8250_probe()硬件初始化函數(shù)。該部分與硬件端口緊密相關(guān)，但也遵守標(biāo)準串行端口的設(shè)備初始化流程。

8250串行端口在uart_port之上，封裝了具體類型uart_8250_port。在初始化時，首先根據(jù)調(diào)用的硬件平臺設(shè)備，對其中uart_port結(jié)構(gòu)體成員進行相關(guān)初始化。設(shè)置中斷處理函數(shù)、線路規(guī)程設(shè)置函數(shù)、設(shè)備類型、寄存器地址等，并分配私有數(shù)據(jù)等。其次，按照標(biāo)準串行端口設(shè)備初始化流程進一步初始化，主要通過uart_add_one_port()函數(shù)實現(xiàn)。該函數(shù)根據(jù)串行端口編號將對應(yīng)uart_state和該uart_port進行雙向綁定，并將設(shè)備對應(yīng)的uart_port添加到uart_driver。由此，設(shè)備利用硬件初始化函數(shù)，通過串行端口硬件層，與tty核心層和字符設(shè)備層建立了聯(lián)系，用戶空間可以對真實的硬件設(shè)備進行操作。

2.4 串行端口應(yīng)用操作分析

在進行串行端口讀寫操作之前，需要先打開串行端口。打開流程如圖4所示，自右至左為系統(tǒng)調(diào)用后，內(nèi)核由字符設(shè)備層的tty_open()函數(shù)開始逐層調(diào)用。直到串行端口硬件層，根據(jù)uart_port的操作集調(diào)用8250串行端口獨有的serial8250_startup()函數(shù)，進行串行端口的硬件設(shè)置，如波特率、請求發(fā)送信號和硬件寄存器設(shè)置等，并初始化與使能串行端口的中斷。

串行端口打開之后，以讀取數(shù)據(jù)為例分析，主要涉及到兩個線程，分別稱為前臺線程和后臺線程。應(yīng)用程序在用戶空間使用read()函數(shù)讀取串行端口數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核空間時由前臺線程執(zhí)行并進行等待。后臺線程負責(zé)在中斷有數(shù)據(jù)時進行讀取，把讀取的數(shù)據(jù)填充至tty_buffer中，再調(diào)用flush_to_ldisc()函數(shù)，將數(shù)據(jù)存放進線路規(guī)程的數(shù)據(jù)接收緩存中，喚醒前臺線程，使前臺線程讀取緩存中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝進用戶空間中，即可完成接收。向串行端口寫入數(shù)據(jù)也是類似的，但數(shù)據(jù)流相反，在此不做贅述。

3 模擬串行端口的方案設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)對標(biāo)準串行端口的驅(qū)動分析，能夠知道Linux系統(tǒng)為各種不同類型的串行端口提供了可復(fù)用的uart框架。例如，通過封裝的根數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)uart_driver，不同的串行端口可以定義自己的驅(qū)動信息。如圖5所示，自定義串行端口驅(qū)動在復(fù)用已有框架的基礎(chǔ)上，需要修改和定義3個主要部分。第一部分是每個串行端口驅(qū)動注冊時都需要定義的，包含設(shè)備驅(qū)動的名稱、設(shè)備號等信息；第二和第三部分涉及底層硬件的特定實現(xiàn)，不同的串行端口需提供不同的操作函數(shù)以與硬件進行交互。這三部分恰好對應(yīng)于驅(qū)動注冊、設(shè)備初始化和功能操作。

圖5 自定義串行端口驅(qū)動設(shè)計框架

基于標(biāo)準串行端口的驅(qū)動框架，本章參照8250串行端口的定義和注冊方式，對總體方案中的外部虛擬串行端口創(chuàng)建、配置、連接模塊進行設(shè)計，并最終實現(xiàn)了一個完整可用的外部虛擬串行端口驅(qū)動。

3.1 虛擬串行端口創(chuàng)建

創(chuàng)建虛擬串行端口需要進行驅(qū)動注冊和設(shè)備初始化。驅(qū)動注冊確保虛擬設(shè)備能在Linux系統(tǒng)中被識別，并提供內(nèi)核空間的接口供用戶空間使用；設(shè)備初始化類比設(shè)備接入的動作，在系統(tǒng)上產(chǎn)生虛擬設(shè)備，并進行一系列初始化操作。

1)驅(qū)動注冊：

參考8250串行端口，虛擬串行端口首先需要定義自身的驅(qū)動信息。設(shè)置驅(qū)動名為“virtual-uart”、字符設(shè)備文件名稱前綴為“vttyU”、最大支持串行端口個數(shù)等。并且，在未顯式地指定設(shè)備號的情況下，Linux系統(tǒng)會在驅(qū)動加載時為其動態(tài)分配設(shè)備號，以避免人為指定發(fā)生沖突。驅(qū)動信息定義完成后，通過uart_register_driver()函數(shù)將其注冊進內(nèi)核，并對uart_driver等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行初始化。后續(xù)過程與標(biāo)準串行端口驅(qū)動注冊流程相同，進行復(fù)用。

2)設(shè)備初始化：

在設(shè)備創(chuàng)建與初始化之前，需要先定義虛擬串行端口整體的端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類比8250串行端口在uart_port結(jié)構(gòu)體之上，進一步封裝了與硬件相關(guān)的具體類型。在驅(qū)動設(shè)計時，也為虛擬串行端口封裝了具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)virtual_uart_port，包含了uart_port。由于虛擬串行端口不具有硬件設(shè)備，所以無法提供物理中斷和寄存器。為了真實模擬串行端口接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的流程，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)提供接收和發(fā)送使能標(biāo)志位，用于控制虛擬串行端口能否收發(fā)，并使用自旋鎖保護這兩個使能信號。此外，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還提供了一個工作隊列，用于模擬中斷處理函數(shù)，完成數(shù)據(jù)中斷發(fā)送操作。

在具備整體的端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，就可以進行具體設(shè)備的定義與注冊。由于不存在真實設(shè)備，無法通過系統(tǒng)自動識別與掃描設(shè)備的方式獲取設(shè)備。因此，需要自行定義多個平臺設(shè)備，并為每個設(shè)備指定不重復(fù)的串行端口索引，以便后續(xù)串行端口連接時互相識別。定義好設(shè)備后，利用platform_device_register()函數(shù)將其注冊進內(nèi)核中。但此時設(shè)備并不能進行初始化操作，因為內(nèi)核中沒有該設(shè)備對應(yīng)的平臺驅(qū)動。

為了保證設(shè)備進一步初始化并與整體的端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系，還需要定義對應(yīng)的平臺驅(qū)動。其結(jié)構(gòu)體為platform_driver，具有probe、remove接口。其中，probe接口完成設(shè)備對應(yīng)uart_port的注冊，remove接口完成uart_port的注銷。并且，需要為平臺驅(qū)動設(shè)置與設(shè)備相同的名稱來實現(xiàn)設(shè)備和驅(qū)動間的匹配檢測。此外，還需要實現(xiàn)設(shè)備注冊函數(shù)，該函數(shù)為uart_port申請內(nèi)存，設(shè)置端口類型、序號、具體的操作函數(shù)集等，以及初始化整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的自旋鎖和工作隊列，并指定模擬串行端口發(fā)送中斷功能的函數(shù)作為該工作隊列的回調(diào)函數(shù)。其中，操作函數(shù)集和模擬發(fā)送中斷功能的回調(diào)函數(shù)是后續(xù)實現(xiàn)虛擬串行端口連接的重點內(nèi)容，將在后續(xù)章節(jié)具體設(shè)計。最后調(diào)用uart_add_one_port()函數(shù)將初始化后的uart_port添加到第一步注冊的驅(qū)動中。

3.2 虛擬串行端口配置

配置模塊主要負責(zé)向串行端口配置構(gòu)建鏈路相關(guān)信息，例如：與該串行端口相連接的另一個串行端口的設(shè)備索引，以便串行端口可以自由組合與連接。這也為驅(qū)動模塊加載進內(nèi)核后，留下可交互的方式。

在用戶空間，可以使用ioctl(input/output control)函數(shù)對設(shè)備進行一些特殊控制，實現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核驅(qū)動之間的溝通。該函數(shù)指定設(shè)備的文件描述符、請求號和具體參數(shù)，其中請求號代表交互協(xié)議，設(shè)備驅(qū)動會根據(jù)請求號執(zhí)行相應(yīng)操作。用戶空間的ioctl請求經(jīng)系統(tǒng)調(diào)用后，會調(diào)用字符設(shè)備層的tty_ioctl()函數(shù)，函數(shù)內(nèi)部將進一步根據(jù)請求號調(diào)用相應(yīng)控制函數(shù)。因此，需要為配置事件預(yù)設(shè)未被占用、唯一的請求號。

進入內(nèi)核空間后，在設(shè)備初始化時，可以通過uart_port指定的操作函數(shù)集實現(xiàn)對應(yīng)ioctl()函數(shù)。該函數(shù)根據(jù)預(yù)設(shè)的請求號執(zhí)行期望的配置操作，例如：配置構(gòu)建鏈路所需對端信息。首先，獲取攜帶的請求參數(shù)，即得到對端串行端口的索引，并將其保存在本設(shè)備端口信息中。之后在串行端口連接時，就可以知道連接的對象。如果需要更換連接對象，只需要重新配置即可，使驅(qū)動更加靈活。

3.3 虛擬串行端口連接

真實的物理串行端口對是通過外部物理連接線來連通的，虛擬串行端口則只能使用軟件的方式進行實現(xiàn)。經(jīng)過總體方案中對文件、共享內(nèi)存、管道等實現(xiàn)手段的討論，為了具有更高可開發(fā)度和擴展性，決定采用網(wǎng)絡(luò)的連接方式。具體實現(xiàn)方式是在設(shè)備驅(qū)動中設(shè)置uart_port的操作函數(shù)集，使用網(wǎng)絡(luò)收發(fā)方式完成虛擬串行端口的發(fā)送和接收。

使用網(wǎng)絡(luò)來模擬虛擬串行端口間的通道連接有兩種方案，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)模擬串行端口間通信的方案示意圖

第一種方案需要在每個串行端口的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中維護一個網(wǎng)絡(luò)Socket套接字成員，并且兩個要連接的串行端口要求一個具備服務(wù)端，另一個具備客戶端，根據(jù)配置信息來設(shè)置本設(shè)備的Socket句柄是服務(wù)端或是客戶端。在串行端口設(shè)備初始化時，通過對端索引信息獲取對端地址，連接對端Socket。連接后，將對端Socket句柄一并放入整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中維護，以便于收發(fā)數(shù)據(jù)時直接使用。通過這種方式，可以模擬出串行端口之間的收發(fā)傳輸通道。

第二種方案需要在每個串行端口的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中維護兩個網(wǎng)絡(luò)Socket套接字成員，其中一個為服務(wù)端，用于模擬串行端口的接收數(shù)據(jù)引腳，另一個為客戶端，用于模擬串行端口的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳。在這種方式下，兩個要連接的串行端口只需要將本端的客戶端連接到對端的服務(wù)端即可完成連接，并由客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)端接收數(shù)據(jù)。通過這種方式，可以模擬出真實的串行端口物理傳輸方式，即兩個串行端口對之間建立的兩條網(wǎng)絡(luò)通道對應(yīng)了真實串行端口的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)兩條物理線。

相較于第一種方案，第二種方案更為細化，每個串行端口都是相同且獨立的，串行端口之間耦合性更低，無需像第一種方案根據(jù)端口索引值設(shè)置本端與對端Socket套接字是客戶端還是服務(wù)端，再進行成對綁定。因此，本文選擇第二種方案來實現(xiàn)連接模塊。

在設(shè)備初始化時，根據(jù)設(shè)備索引值配置監(jiān)聽端口號并開啟服務(wù)端，等待客戶端連接請求。同時，開啟一個線程循環(huán)判斷服務(wù)端是否接收到消息。若有消息，則模擬接收中斷，將收取到的數(shù)據(jù)發(fā)送到tty_buffer的接收緩存中，并調(diào)用tty_flip_buffer_push()函數(shù)，將接收緩存中的數(shù)據(jù)通過線路規(guī)程進行接收。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用設(shè)備初始化時配置給工作隊列的回調(diào)函數(shù)來模擬發(fā)送中斷。在回調(diào)函數(shù)中，客戶端根據(jù)對端索引值獲取端口號，連接對端串行端口的服務(wù)端，并利用網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送數(shù)據(jù)。即可在沒有實際硬件的情況下，使用虛擬串行端口完成數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗系統(tǒng)

本文使用12核CPU、32GB內(nèi)存、200GB硬盤的虛擬機作為宿主機進行實驗，該虛擬機位于搭載Intel(R)Xeon(R)Silver 4214R CPU @ 2.40GHz處理器、型號為UniServer R4900 G3的服務(wù)器上，并使用QEMU模擬器來模擬虛擬設(shè)備，完成整體方案驗證，具體實驗系統(tǒng)環(huán)境如表1所示。

表1 實驗系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)

為了驗證方案設(shè)計與實現(xiàn)的有效性和正確性，分別對軟件模擬的串行端口進行功能和性能驗證、對基于模擬串行端口的虛擬設(shè)備互聯(lián)通信進行可行性驗證。

4.2 模擬串行端口功能和性能驗證

在本方案中，虛擬串行端口驅(qū)動被分為設(shè)備注冊和串行端口整體驅(qū)動兩部分。前者負責(zé)定義硬件設(shè)備并將其注冊進內(nèi)核中，以模擬硬件接入；后者負責(zé)實現(xiàn)串行端口相關(guān)結(jié)構(gòu)的初始化、注冊、端口連接等功能，是串行端口的整體設(shè)備驅(qū)動。這兩個驅(qū)動模塊均具備頭文件、模塊加載與卸載函數(shù)、模塊許可聲明等規(guī)范結(jié)構(gòu)。同時，為驅(qū)動模塊編寫編譯文件，內(nèi)容包括讀取內(nèi)核源碼中的編譯文件和指明模塊源碼中各文件的依賴關(guān)系等。

編譯執(zhí)行后，會生成對應(yīng).ko模塊文件，可以使用insmod命令加載模塊。以兩個虛擬串行端口為例，驅(qū)動模塊被加載到系統(tǒng)內(nèi)核后，將執(zhí)行初始化程序，開辟內(nèi)存、新建線程等。此時，如表2所示，在系統(tǒng)的/dev目錄下，將會出現(xiàn)兩個串行端口字符設(shè)備，分別為vttyU0和vttyU1，設(shè)備前綴由驅(qū)動定義的dev_name指定。

表2 驅(qū)動加載前后系統(tǒng)/dev目錄變化

用戶態(tài)通過執(zhí)行ioctl()函數(shù)來指定每個串行端口的對端索引信息。內(nèi)核態(tài)驅(qū)動完成相應(yīng)的設(shè)置后，本設(shè)備的Socket客戶端就會連接至對端設(shè)備的Socket服務(wù)端，實現(xiàn)串行端口之間的鏈路連通。在本實驗中，即連接了vttyU0和vttyU1。對于用戶態(tài)的應(yīng)用程序而言，這兩個字符設(shè)備與其他普通串行端口設(shè)備并無區(qū)別。此時，兩個串行端口的連接情況如圖7所示。編寫串行端口讀寫程序，對其進行功能和性能測試。

圖7 串行端口測試連接圖

1)功能測試。將vttyU1作為發(fā)送端，vttyU0作為接收端，進行數(shù)據(jù)持續(xù)收發(fā)操作，并將數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸次數(shù)打印到終端。交換發(fā)送端與接收端后，結(jié)果仍然相同，結(jié)果如下所示：

(1)vttyU1發(fā)送數(shù)據(jù)

action@action-virtual-machine:～/uart-test sudo ./virtual_uart_test --dev=/dev/vttyU1 --type=write

Send Data: SEND TEST! Num = 1!

Send Data: SEND TEST! Num = 2!

Send Data: SEND TEST! Num = 3!

Send Data: SEND TEST! Num = 4!

Send Data: SEND TEST! Num = 5!

Send Data: SEND TEST! Num = 6!

Send Data: SEND TEST! Num = 7!

Send Data: SEND TEST! Num = 8!

Send Data: SEND TEST! Num = 9!

Send Data: SEND TEST! Num = 10!

(2)vttyU0接收數(shù)據(jù)

action@action-virtual-machine:～/uart-test sudo ./virtual_uart_test --dev=/dev/vttyU0 --type=read

Receive Data: SEND TEST! Num = 1!

Receive Data: SEND TEST! Num = 2!

Receive Data: SEND TEST! Num = 3!

Receive Data: SEND TEST! Num = 4!

Receive Data: SEND TEST! Num = 5!

Receive Data: SEND TEST! Num = 6!

Receive Data: SEND TEST! Num = 7!

Receive Data: SEND TEST! Num = 8!

Receive Data: SEND TEST! Num = 9!

Receive Data: SEND TEST! Num = 10!

實驗結(jié)果證明，串行端口模擬產(chǎn)生后，在用戶態(tài)的操作與物理串行端口的操作一致，接收到的數(shù)據(jù)和對端發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容相同，因此通信功能可用。

2)性能測試。對串行端口的最大傳輸速率進行測試，測試方式為：將vttyU1作為發(fā)送端，以最小的時間間隔，持續(xù)發(fā)送1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)給vttyU0，使得兩個串行端口驅(qū)動一直處于最大速率的發(fā)送與接收狀態(tài)。在接收端vttyU0設(shè)置流量計數(shù)模塊和時間計算模塊，得到接收一定數(shù)據(jù)量時所花費的時間，以計算單位時間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財?shù)，即數(shù)據(jù)傳輸速率。本實驗進行20組測試，每組測試發(fā)送和接收100 MB數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 串行端口傳輸速率測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明，本方案設(shè)計的虛擬串行端口驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸速率快且較為穩(wěn)定，最大傳輸速率介于416.26 ～474.74 mbps之間，平均值為456.98 mbps，遠超過物理串行端口的傳輸速率。例如，RS232串行端口最大傳輸速率為20 kbps，RS422/RS485串行端口最大傳輸速率為10 mbps等。此外，串行端口也在不斷發(fā)展更高速的傳輸速率。該虛擬串行端口不僅能夠滿足基礎(chǔ)物理串行端口模擬的速率要求，也能夠應(yīng)對速率更高的增強型串行端口模擬的場景，符合設(shè)計需求。

4.3 基于模擬串行端口的虛擬設(shè)備間通信驗證

對虛擬設(shè)備間互聯(lián)通信進行驗證，首先需要創(chuàng)建兩個虛擬設(shè)備，使用QEMU在宿主機內(nèi)模擬兩塊樹莓派3B開發(fā)板，包括CPU、內(nèi)存、外圍設(shè)備等硬件資源模擬。其次，每個虛擬設(shè)備內(nèi)都具有串行端口，將前述實驗中創(chuàng)建的兩個模擬串行端口分別綁定為虛擬設(shè)備內(nèi)串行端口的設(shè)備后端，使得兩個虛擬設(shè)備可以借助外部宿主機內(nèi)的虛擬串行端口對進行通信。模擬與綁定的具體命令如下所示：

指定模擬樹莓派3B 1024 MB內(nèi)存

sudo qemu-system-aarch64 -M raspi3b -m 1024 〗 指定設(shè)備樹文件

-dtb img/bcm2710-rpi-3-b.dtb

指定內(nèi)核

-kernel img/kernel8.img

指定加載鏡像與格式

-drive format=raw,file=img/2020-02-13-raspbian-buster.img

啟動附加命令

-append "rw earlycon=pl011,0x3f201000 console=ttyAMA0 loglevel=8 root=/dev/ mmcblk0p2 fsck.repair=yes net.ifnames=0 rootwait memtest=1 dwc_otg.fiq_fsm_enable=0 8250.nr_uarts=1"

指定標(biāo)準輸入輸出

-serial stdio

為樹莓派啟用USB鍵盤鼠標(biāo)等模擬

-usb -device usb-kbd -device usb-tablet

綁定外部串行端口/dev/vttyU0(另一個綁定/dev/vttyU1)

-serial /dev/vttyU0

綁定完成后，啟動虛擬設(shè)備，進入系統(tǒng)后可以看到在/dev目錄下都多出一個設(shè)備ttyS0。該設(shè)備是串行端口的設(shè)備前端，將消息在虛擬設(shè)備和設(shè)備后端之間進行轉(zhuǎn)發(fā)，真實地與虛擬設(shè)備外進行數(shù)據(jù)收發(fā)交互的仍為宿主機內(nèi)創(chuàng)建的虛擬串行端口。由此，兩塊虛擬開發(fā)板借助外部虛擬串行端口對vttyU0和vttyU1建立了兩個內(nèi)部ttyS0的通信鏈路，連接情況如圖9所示。

圖9 虛擬設(shè)備串行通信測試連接圖

對其進行收發(fā)測試，測試方式為：在一塊虛擬樹莓派開發(fā)板內(nèi)部打開串行端口ttyS0，發(fā)送數(shù)據(jù)并打印發(fā)送次數(shù)，另一塊虛擬樹莓派開發(fā)板內(nèi)部打開串行端口ttyS0，進行數(shù)據(jù)接收并輸出至終端。反過來通信也是相同的，測試結(jié)果如下所示：

(1)虛擬設(shè)備1發(fā)送數(shù)據(jù)

pi@raspberrypi:～/myTests/uart-test ./virtual-uart --dev=/dev/ttyS0 --type=write

Send Data: SEND TEST! Num = 1!

Send Data: SEND TEST! Num = 2!

Send Data: SEND TEST! Num = 3!

Send Data: SEND TEST! Num = 4!

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Send Data: SEND TEST! Num = 7!

Send Data: SEND TEST! Num = 8!

Send Data: SEND TEST! Num = 9!

Send Data: SEND TEST! Num = 10!

(2)虛擬設(shè)備2接收數(shù)據(jù)

pi@raspberrypi:～/myTests/uart-test ./virtual-uart --dev=/dev/ttyS0 --type=read

Receive Data: SEND TEST! Num = 1!

Receive Data: SEND TEST! Num = 2!

Receive Data: SEND TEST! Num = 3!

Receive Data: SEND TEST! Num = 4!

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Receive Data: SEND TEST! Num = 9!

Receive Data: SEND TEST! Num = 10!

測試結(jié)果表明，虛擬設(shè)備間可以利用本方案實現(xiàn)的虛擬串行端口，建立傳輸通道，進行雙向通信。該程序也可以直接移植到物理的嵌入式終端上，直接進行串行設(shè)備通信，可以確保模擬系統(tǒng)和程序具有較高的保真度和移植性。

5 結(jié)束語

本文針對在MBSE系統(tǒng)中的虛擬設(shè)備間進行串行互聯(lián)通信的需求，提出了一種針對Linux系統(tǒng)的軟件模擬串行端口方案，并基于模擬串行端口實現(xiàn)多個嵌入式虛擬設(shè)備之間的互聯(lián)通信。本文的串行端口模擬通過參照Linux系統(tǒng)的標(biāo)準串行端口驅(qū)動，復(fù)用標(biāo)準uart驅(qū)動框架，完成內(nèi)核驅(qū)動開發(fā)，從內(nèi)核態(tài)產(chǎn)生虛擬串行端口，并實現(xiàn)了參數(shù)配置、通道連接等功能。

通過對兩個已連接的虛擬串行端口進行通信測試，驗證了本文提出的模擬串行端口的可用性和具備平均456.98Mbps的最大傳輸速率，能夠滿足物理串行端口模擬的傳輸速率要求。

同時，通過為QEMU構(gòu)建的虛擬設(shè)備綁定模擬串行端口，實現(xiàn)了虛擬設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信?；谔摂M設(shè)備開發(fā)的串行通信程序，可直接移植到物理硬件設(shè)備上，提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的效率，為復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的全面數(shù)字化模擬提供了支持。