一種嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)中虛擬化串口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭芳超　周霆　徐曉光中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

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一種嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)中虛擬化串口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭芳超周霆徐曉光
中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

摘要：文章針對軟件虛擬化過程中對設(shè)備虛擬化的需求，提出了基于客戶（CLIENT）/服務(wù)器（SERVER）模式的串口設(shè)備訪問模型，分別闡述了虛擬化過程中串口服務(wù)器的處理功能、硬件設(shè)備中斷處理方法、客戶端代理驅(qū)動接口功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及數(shù)據(jù)傳輸采用的地址空間共享。

關(guān)鍵字：設(shè)備虛擬化 串口 代理驅(qū)動 客戶/服務(wù)器

1　引言

設(shè)備虛擬化是軟件虛擬化的重要研究方向，也是軟件虛擬化過程中必須解決的。高效的設(shè)備虛擬化方法可以有效提高設(shè)備訪問效率，提高系統(tǒng)。串口通信方式簡單、可靠、穩(wěn)定，具有很好的可移植性、實(shí)時性，且具有使用線路少、成本低的特點(diǎn)。在嵌入式操作系統(tǒng)中對串口進(jìn)行虛擬化可以快速驗(yàn)證設(shè)備虛擬化方案的。

2　虛擬化串口訪問模型

虛擬化串口訪問模型采用客戶（CLIENT）/服務(wù)器（SERVER）模式的設(shè)備虛擬化方法實(shí)現(xiàn)，設(shè)備驅(qū)動程序在設(shè)備服務(wù)分區(qū)地址空間內(nèi)。虛擬化串口的訪問要求設(shè)備服務(wù)分區(qū)內(nèi)包含合適的驅(qū) 動程序，其它分區(qū)包含代理驅(qū)動。一旦用戶調(diào)用代理驅(qū)動提供的設(shè)備操作接口，它就會把用戶的請求轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)備服務(wù)分區(qū)內(nèi)的串口服務(wù)器。代理驅(qū)動提供的函數(shù)在接口形式上與原物理設(shè)備驅(qū)動接口保持一致，在函數(shù)內(nèi)部將對物理設(shè)備的訪問封裝為特定形式的IPC消息格式轉(zhuǎn)發(fā)到串口服務(wù)器。串口服務(wù)器為每個分區(qū)創(chuàng)建一個虛擬串口設(shè)備，分區(qū)所有對物理設(shè)備的訪問請求被轉(zhuǎn)換為對虛擬串口設(shè)備的訪問。

設(shè)備服務(wù)器直接控制物理設(shè)備，仲裁處理各個分區(qū)之間的競爭，同時處理設(shè)備中斷請求。另外，為了處理來自微內(nèi)核虛擬機(jī)管理器轉(zhuǎn)發(fā)的串口中斷請求，在設(shè)備服務(wù)分區(qū)內(nèi)創(chuàng)建處理串口中斷的用戶級中斷處理任務(wù)。

2.1串口服務(wù)器

串口服務(wù)器的主要功能之一就是對某個物理串口設(shè)備，在設(shè)備服務(wù)器內(nèi)部創(chuàng)建多個虛擬串口實(shí)例，用戶分區(qū)通過IPC請求操作設(shè)備時，設(shè)備服務(wù)器將訪問對象轉(zhuǎn)換為創(chuàng)建出的虛擬串口。串口服務(wù)線程啟動后根據(jù)配置信息檢測硬件設(shè)備并初始化，讀取分區(qū)配置信息判斷系統(tǒng)中需要使用串口的分區(qū)個數(shù)，根據(jù)配置信息生成虛擬串口設(shè)備描述符，進(jìn)行部分初始化，然后進(jìn)入等待態(tài)，等待來自其它應(yīng)用分區(qū)的設(shè)備使用請求，設(shè)備使用請求包含四類：

a請求設(shè)備：處理來自客戶分區(qū)對串口設(shè)備的請求，為虛擬設(shè)備分配共享邏輯地址空間，將共享空間的<邏輯--物理>地址映射關(guān)系通過虛擬機(jī)管理器提供的映射/解映射接口加入客戶分區(qū)設(shè)備owner 線程（pager）的映射表中，將共享空間的邏輯地址和大小反饋給客戶分區(qū)。

b注冊控制塊：將客戶分區(qū)劃分好的共享空間控制塊地址注冊到串口服務(wù)器分配的對應(yīng)虛擬設(shè)備描述符中。方便之后客戶分區(qū)與串口服務(wù)器交換數(shù)據(jù)讀/寫位置等信息。

c初始化虛擬設(shè)備：實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備所有者信息的注冊/變更，只有虛擬設(shè)備的所有者被允許修改設(shè)備的訪問屬性，例如打開/關(guān)閉等。

d關(guān)閉虛擬設(shè)備：清理緩沖區(qū)，將待發(fā)送隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果接收緩沖內(nèi)有數(shù)據(jù)，通知虛擬串口對應(yīng)的分區(qū)來取數(shù)據(jù)。最后刪除虛擬設(shè)備描述符。

e中斷請求和數(shù)據(jù)收發(fā)請求，串口服務(wù)器將這兩類時間統(tǒng)一劃分為異步事件。系統(tǒng)中虛擬設(shè)備與物理設(shè)備之間存在多對一的關(guān)系，因此設(shè)計(jì)了雙層數(shù)據(jù)處理流。數(shù)據(jù)發(fā)送時，串口服務(wù)器程根據(jù)應(yīng)用分區(qū)待發(fā)送數(shù)據(jù)流內(nèi)的數(shù)據(jù)包個數(shù)，為其分配下層數(shù)據(jù)包，初始化下層數(shù)據(jù)包內(nèi)各個域的值，加入到下層數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列中。數(shù)據(jù)接收時，根據(jù)待接收數(shù)據(jù)的個數(shù)分配下層數(shù)據(jù)包并加入接收等待隊(duì)列中。上層數(shù)據(jù)包與下層數(shù)據(jù)包只是建立對應(yīng)依賴關(guān)系而不進(jìn)行數(shù) 據(jù)拷貝。

串口服務(wù)器處理發(fā)送/接收數(shù)據(jù)請求的流程。串口服務(wù)器在發(fā)送流程處理過程中如果有下層 數(shù)據(jù)包不夠使用的情況出現(xiàn)，需要主動清空虛擬設(shè)備占有的下層發(fā)送隊(duì)列數(shù)據(jù)包。進(jìn)入當(dāng)前處理流程后，數(shù)據(jù)已由硬件發(fā)送出去，此時只需要修改下層數(shù)據(jù)包對應(yīng)的上層數(shù)據(jù)包狀態(tài)，將處理完后的數(shù)據(jù)包加入到當(dāng)前虛擬設(shè)備的空閑隊(duì)列中，處理完成后釋放下層數(shù)據(jù)包，同時通知接收分區(qū)處理上層數(shù)據(jù)包。

2.2串口中斷處理

串口設(shè)備中斷處理包括上下兩層，下層位于虛擬機(jī)管理器中，物理中斷到來時，虛擬機(jī)管理器進(jìn)行中斷統(tǒng)一處理流程，再調(diào)用串口中斷處理函數(shù)時向設(shè)備服務(wù)分區(qū)發(fā)送中斷通知。設(shè)備服務(wù)分區(qū)內(nèi)單獨(dú)創(chuàng)建一個處理來自串口的中斷處理線程。

2.3代理驅(qū)動

在客戶分區(qū)，創(chuàng)建代理驅(qū)動程序供應(yīng)用程序訪問，代理驅(qū)動程序在接口形式上保持與原始驅(qū)動程 序接口一致。串口設(shè)備訪問過程中基本的操作有 open、close、read、write和ioctl。

2.4串口數(shù)據(jù)傳輸

本文使用的IPC消息機(jī)制可以高效的傳遞設(shè)備控制信息，傳輸數(shù)據(jù)時由于數(shù)據(jù)量比較大，使用IPC通信方式會影響設(shè)備訪問效率，影響虛擬設(shè)備的性能，所以需要使用更為高效的共享內(nèi)存方式。

3　結(jié)束語

本文采用基于客戶（CLIENT）/服務(wù)器（SERVER） 模式的設(shè)備訪問模型在嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)中對串口設(shè)備進(jìn)行了虛擬化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備服務(wù)分區(qū)內(nèi)串口服務(wù)器的功能設(shè)計(jì)，硬件設(shè)備中斷的任務(wù)級處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程設(shè)計(jì)、客戶端代理驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)，以及其他關(guān)鍵技術(shù)。通過串口設(shè)備的成功虛擬化，有效驗(yàn)證了基于C/S模型設(shè)備虛擬化方法的可行性。

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