一種基于L4微內核的輕量級手機中間軟件

朱建新，趙亞輝

華中科技大學，湖北武漢 430074

0 引言

現在，隨著手機硬件功能的快速增強，為了給手機提供靈活的應用執行環境，我們需要開發各種各樣的手機操作系統和軟件平臺。本世紀初，手機WAP瀏覽器平臺被用來訪問WAP網頁、圖片和下載手機鈴聲。之后，一些應用平臺也被用來提供手機的應用執行環境，比如移動虛擬機（Java、BREW、WIPI等）。但是多數移動虛擬機只提供子自己特定的執行環境，其應用程序不兼容其它平臺。另外，多數手機應用程序是用有平臺依賴性的API函數和庫編寫的，而且編譯的方式也不同。由于最初手機硬件的限制，比如有限的CPU功能和內存空間，多數手機只包含一個單一的應用執行平臺。但是，隨著手機硬件的發展，在手機中應用復雜的軟件架構也越來越容易，比如Android、Symbian OS、Windows Mobile等。

為了在單個設備上運行多重虛擬機，每個虛擬機都必須是像一個擁有分層軟件模塊的可執行目標一樣可移植。另外考慮到手機設備的硬件資源有限的特征，為了減少程序執行的時間，手機設備中的軟件系統必須是輕量級的。根據上面所述的需求，我們設計了一個基于L4微內核的輕量級手機中間軟件。

1 相關研究

1.1 L4微內核

L4微內核是德國科學家Jochen Liedtke設計的第二代微內核中的一個族。它包含操作系統基本的服務，如進程控制、內存管理和進程間通信等。其進程間通信功能優于先前第一代微內核。優于其輕量級的體積和良好的性能，L4微內核適用于在嵌入式平臺上實現虛級化。

在基于L4微內核的虛擬機系統架構中，虛擬化的操作系統和設備驅動分別作為一個服務進程運行在L4微內核上面，從而實現了虛擬化的用戶操作系統內核與其它用戶操作系統或設備驅動之間的隔離。每個系統調用都被轉換成調用進程和目標服務間的進程間通信（IPC）消息。基于微內核架構的虛擬機的系統結構如圖1所示。

圖1 基于微內核架構的虛擬機的系統結構

圖2 NICTA：Pistachio-embedded 系統架構

澳大利亞國家信息與通信技術中心（NICTA）的嵌入式實時操作系統研究小組以嵌入式系統為目標對卡爾斯魯爾大學研發的L4Ka：Pistachio進行了擴展實現了一個嵌入式操作系統NICTA：：Pistachio-embedded，其系統架構如圖2所示。

這個操作系統的內核選用Iguana提供大多數系統都需要的基本服務，如內存管理和進程調度。在Iguana上面運行著一個完全虛擬化的用戶態Linux內核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，它的性能和標準的Linux非常相近，甚至在一些性能指標上超過了Linux。

1.2 高通公司的MSM芯片架構和L4微內核

美國高通公司把L4微內核應用到了他們最新研制的擁有雙CPU核（ARM9和ARM11）的MSM7000芯片上。在這個架構中，為了提高移動手持終端的處理性能和穩定性，操作系統被劃分為應用操作系統和通信操作系統，且每個操作系統都運行在自己獨立的CPU核上，這意味著系統同時在L4微內核上加載了兩個操作系統。在應用操作系統一端，可以加載提供應用服務功能的Windows mobile或其它手機操作系統，在通信操作系統一端加載提供通信服務功能的L4/Iguana的REX實時操作系統。

1.3 傳統的移動虛擬平臺

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安裝應用程序的移動應用平臺，它們可以在手機硬件平臺上作為一個虛擬機運行，為許多不同的手機硬件平臺提供通用的執行環境。傳統的手機系統軟件架構如圖3所示。

圖3 傳統的手持設備軟件架構圖

圖4 總體系統架構圖

2 系統架構

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

2.1 總體系統架構

與前面講述的高通公司的最新軟件架構不同，我們的系統運行的目標平臺是單處理器的嵌入式設備。在這個架構中，有一個主控制操作系統或進程運行在L4微內核上面，它把每個虛擬機都當作一個應用程序來執行。它們之間依靠進程間通信機制（IPC）實現通信，如圖4所示。

2.2 支持多種虛擬機

大多數應用平臺有著相似的架構和運行方式，在這些平臺上運行應用程序時，需要向應用程序開發者提供一套應用程序接口（API），并把它們映射到系統的硬件抽象層。因此，我們設計一種在單個設備中同時支持多種虛擬機的通用硬件抽象層，就像第二部分提出的基于微內核架構的虛擬機的系統結構一樣，每個虛擬機都作為一個服務運行在我們的系統中，它可以獨立運行并下載自己的應用程序。

2.3 通用的硬件抽象層

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

考慮到這些相似之處，為了支持系統頂層的應用軟件層，我們設計了一個通用的硬件抽象層，它可以支持多種硬件平臺，提供的服務由這些設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用到我們的手機中間軟件中，它必須符合下面3個需求：

1）代碼輕量級。傳統上，大多數虛擬機需要它自己的硬件抽象層，其中實現一個接口函數就要數百行的代碼。我們提出的這個通用硬件抽象層架構繼承了一般的可調用函數，可以減少虛擬機的這些代碼；

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

3）可維護性和調試。在這個通用硬件抽象層架構中，函數調用都被集中管理并被簡化，這樣就可以減少對系統維護和調試的投入。

3 原型實現

1）主控制任務。它是一個守護進程任務，可以初始化和結束虛擬機。它同時用一個鏈表結構記錄虛擬機運行信息。用這個任務提供的方法，系統可以獲取虛擬機的一個句柄，用這個句柄可以控制虛擬機，并可避免重復執行虛擬機；

2）設備驅動服務（DDS）。它適合于各個設備驅動，比如LCD顯示器、鍵盤、串行口和Flash驅動。每個設備驅動作為一個獨立的服務運行，并在系統啟動時被初始化。我們實現了四個設備驅動服務（LCD、鍵盤、串行口和文件系統），其它設備驅動如MSM6100芯片集中的射頻設備驅動包含在高通公司的提供的函數庫，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（GPHAL）。是一個面向多種虛擬機的通用服務層，它可以為各種各樣的虛擬機提供具體的API。每個虛擬機可以調用GPHAL應用程序接口去處理目標設備驅動。用這個層，可以減少為新建虛擬機調用抽象的API函數進行的移植包修改工作。

4 平臺應用

盡管我們提出的這種中間軟件是為擁有輕量級軟件架構的手機系統設計的，不過它也可以適用于其它嵌入式設備。L4微內核是一個帶有小TCB的輕量級內核，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備或感測網絡中的一個感應服務中。另外，我們的平臺有獨立的設備驅動和通用硬件抽象層，可以為感測網絡提供了靈活的軟件執行環境。

5 結論

本文提出一個一個基于L4微內核的輕量級手機中間軟件，它可以為多種虛擬機提供運行環境，并可以為在可移動設備和感測系統中的各種虛擬機提供靈活的軟件架構。利用這個中間軟件平臺，為各種虛擬機開發的應用程序可以不加修改便可運行在同一款手機上。因此，這個輕量級的手機中間軟件為各種智能手機提供獨立的應用程序執行環境，并且使應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.