任占廣 張學(xué)敏

摘要：網(wǎng)芯一號處理器是我國自主研制的一款高性能通信處理器芯片，具有指標(biāo)性能高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和綜合能耗低等特點(diǎn)。面向該處理器在嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性需求，開展銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)研究，突破基于自主芯片之上的自主可控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明，銳華操作系統(tǒng)可以較好適配網(wǎng)芯一號處理器，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

關(guān)鍵詞：自主可控；網(wǎng)芯一號處理器；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）22-58-4

0引言

現(xiàn)有通信設(shè)備中大量使用國外進(jìn)口的軟硬件產(chǎn)品，可能存在內(nèi)置后門和未知漏洞，對我國信息網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重的安全隱患。為此，推進(jìn)自主可控的產(chǎn)品成為解決國家網(wǎng)絡(luò)安全問題的戰(zhàn)略舉措。

網(wǎng)芯一號處理器是我國自主研制的一款高性能通信處理器芯片，目前Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)完成對網(wǎng)芯一號處理器的適配，但在嵌入式領(lǐng)域，Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性上不能完全滿足需求，有必要進(jìn)一步拓展網(wǎng)芯一號處理器在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前絕大部分功能較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)都基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Embedded Real-time Operating System）進(jìn)行開發(fā)[1-2]，相較其他國產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ReWorks）在應(yīng)用范圍、功能完備、技術(shù)支持、應(yīng)用移植的方便性等方面都有較大優(yōu)勢，但目前銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還沒有適配網(wǎng)芯一號處理器。

1系統(tǒng)簡介

1.1網(wǎng)芯一號處理器

網(wǎng)芯一號處理器具有指標(biāo)性能高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和綜合能耗低等特點(diǎn)，一方面可作為控制處理器，應(yīng)用于控制交換板和業(yè)務(wù)接口板，支撐戰(zhàn)略網(wǎng)絡(luò)固定匯聚/接入級、車載/搬移式以及戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)核心/接入級通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)與裝備研制。另一方面可作為專用分組報(bào)文處理器，支撐戰(zhàn)術(shù)接入級通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)與裝備研制。另外，該芯片還可用于網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)鏈等領(lǐng)域的裝備研制，實(shí)現(xiàn)百兆以上級分組報(bào)文處理。

面向網(wǎng)芯一號處理器在嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性需求，開展銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)研究，突破基于自主芯片之上的自主可控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，研制形成嵌入式實(shí)時(shí)自主可控處理平臺。

1.2銳華嵌入式操作系統(tǒng)

銳華操作系統(tǒng)是國內(nèi)領(lǐng)先的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該產(chǎn)品核心代碼自主可控，能為不同領(lǐng)域的用戶提供差異化的定制服務(wù)[3-5]。

銳華嵌入式操作系統(tǒng)集成開發(fā)套件包括銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4]和集成開發(fā)環(huán)境[5]兩部分。銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，采用微內(nèi)核及組件技術(shù)，能根據(jù)應(yīng)用需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行配置、裁剪、擴(kuò)展與定制，具備較強(qiáng)伸縮能力；銳華嵌入式應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境（ReDe）具有開放性、跨平臺、一體化等特點(diǎn)。因此，銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠更好地滿足網(wǎng)芯一號處理器在嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性需求。

2基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)

基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)利用網(wǎng)芯一號處理器應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)硬件平臺，通過在銳華操作系統(tǒng)進(jìn)行板級支持包（BSP）和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)銳華操作系統(tǒng)的適配工作，系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1概述

BSP是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，主要功能是屏蔽硬件、提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和硬件驅(qū)動(dòng)[6]。銳華操作系統(tǒng)定義了BSP開發(fā)模板，提供了一系列模塊接口，通過實(shí)現(xiàn)模塊接口完成BSP的開發(fā)工作。

基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)適配項(xiàng)目中，BSP控制所有硬件，包括芯片、網(wǎng)口、串口、硬盤和PCI-E總線，向上提供虛擬的硬件平臺，主要功能包括上電時(shí)硬件的初始化銳華、操作系統(tǒng)上設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，并為操作系統(tǒng)訪問硬件提供接口支持，為應(yīng)用程序提供相關(guān)程序入口，可以使其訪問底層硬件，把硬件相關(guān)軟件和無關(guān)軟件整合在銳華操作系統(tǒng)內(nèi)核中。BSP在整個(gè)內(nèi)核中的位置如圖2所示。

銳華操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備訪問方式不同，將設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3類。字符設(shè)備是以字符為單位進(jìn)行讀寫訪問的，比較典型的有串口設(shè)備、鍵盤設(shè)備等；塊設(shè)備是以塊為單位進(jìn)行讀寫訪問的，比較典型的有硬盤、SD卡等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是一種比較特殊的設(shè)備，依賴網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。

銳華操作系統(tǒng)提供了I/O模塊，通過實(shí)現(xiàn)該模塊的應(yīng)用程序API，可以訪問字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、（通過文件系統(tǒng)）塊設(shè)備等；通過該模塊的驅(qū)動(dòng)，API可以開發(fā)和管理驅(qū)動(dòng)程序；通過該模塊的文件系統(tǒng)，API可以管理文件系統(tǒng)。銳華操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)工作原理是操作硬件相關(guān)寄存器，并為應(yīng)用層提供一套標(biāo)準(zhǔn)的接口：對上提供一套內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)接口響應(yīng)函數(shù)，對下提供硬件驅(qū)動(dòng)和硬件中斷響應(yīng)函數(shù)，可以通過實(shí)現(xiàn)I/O模塊相關(guān)API完成驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工作。

2.2 BSP設(shè)計(jì)

銳華集成開發(fā)環(huán)境是一個(gè)集嵌入式軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、測試、集成部署于一體的開發(fā)平臺，為基于銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件與運(yùn)行提供全過程支持[5]。基于銳華集成開發(fā)環(huán)境可以更高效地進(jìn)行BSP開發(fā)和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。在銳華集成開發(fā)環(huán)境下，BSP的開發(fā)流程如下：

①選擇與網(wǎng)芯一號處理器型號相近的BSP包作為BSP開發(fā)模板，根據(jù)目標(biāo)板卡外圍器件進(jìn)行修改或添加代碼，滿足項(xiàng)目的應(yīng)用，并創(chuàng)建BSP庫工程；

②實(shí)現(xiàn)用于調(diào)試的printk（）函數(shù)；

③根據(jù)BSP的開發(fā)需要，通過銳華集成開發(fā)環(huán)境ReDe進(jìn)行資源配置。如BSP開發(fā)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可通過添加“增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?！辟Y源，將網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的資源納入到BSP開發(fā)工程中，在編譯生成的ReWorks目標(biāo)鏡像中就會(huì)包含增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相關(guān)信息；

④編寫start.s的預(yù)初始化代碼，完成操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境初始化、驅(qū)動(dòng)初始化，最后執(zhí)行用戶代碼的一系列流程；編寫printk調(diào)試輸出模塊代碼、中斷控制器模塊代碼、系統(tǒng)時(shí)鐘模塊代碼、CACHE和MMU配置模塊代碼等；

⑤對工程進(jìn)行編譯構(gòu)建，編譯完畢產(chǎn)生ReWorks目標(biāo)鏡像文件，下載至目標(biāo)板上進(jìn)行BSP調(diào)試；

⑥BSP工程發(fā)布。在銳華集成開發(fā)環(huán)境中，開發(fā)完成的BSP將以“資源組件”的形式提交發(fā)布，通過定制BSP資源組件工程與目標(biāo)板資源工程將BSP集成到銳華集成開發(fā)環(huán)境中，然后生成自引導(dǎo)程序，并完成自引導(dǎo)程序的相關(guān)配置信息，編譯生成ReWorks目標(biāo)鏡像文件。

2.3驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)芯一號處理器外設(shè)需求，需要開發(fā)串口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、硬盤驅(qū)動(dòng)和PCI-E總線驅(qū)動(dòng)。本節(jié)通過網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的實(shí)例具體說明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程。

（1）網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的掛接與配置

建立網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)掛接對象：

staticstructrtos_bsdnet_ifconfigconfig_em0= {“em0”， em_attach，NULL，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0}；

調(diào)用rtos_bsdnet_attach（&config_em0）函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)掛接操作。

其中em_attach（）是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)，用于識別硬件類型，并分配所有相關(guān)資源、初始化硬件設(shè)備配置。通常此函數(shù)通過調(diào)用em_setup_interface（）函數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的ifnet對象的賦值等初始化操作。

通過ifconfig（）函數(shù)配置網(wǎng)卡IP地址和子網(wǎng)掩碼，通過hostAdd（）函數(shù)配置網(wǎng)卡IP地址所對應(yīng)的主機(jī)。通過以上操作，系統(tǒng)就可以將網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧掛接起來，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡的基本功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的ifnet對象掛接

調(diào)用em_setup_interface（）函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體和注冊接口，并為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的ifnet對象賦值，ifnet對象通過em_init（）函數(shù)初始化接口，創(chuàng)建發(fā)送/接收任務(wù)，初始化接收描述符等；通過em_start（）函數(shù)啟動(dòng)網(wǎng)卡設(shè)備，然后em_setup_interface（）函數(shù)將ifnet對象掛接到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧通過掛接的接口調(diào)到網(wǎng)卡底層驅(qū)動(dòng)，當(dāng)協(xié)議棧有數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，會(huì)通過ifnet結(jié)構(gòu)體中if_start （）函數(shù)指向的em_start（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能。

（3）設(shè)備讀/寫操作

當(dāng)用戶調(diào)用write（）函數(shù)進(jìn)行寫操作時(shí)，I/O系統(tǒng)調(diào)用在驅(qū)動(dòng)程序表中注冊的函數(shù)em_wirte（），該函數(shù)將拷貝需要發(fā)送的數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)MBUF中，并調(diào)用if_start （）啟動(dòng)發(fā)送，em_start（）將數(shù)據(jù)拷貝到設(shè)備緩沖區(qū)中，并放置到設(shè)備的發(fā)送隊(duì)列，完成發(fā)送操作。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)調(diào)用接收中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序em_intr（）啟動(dòng)em_process_recve_interrupts（），將RBD中的數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)MBUF中，當(dāng)用戶調(diào)用read（）函數(shù)進(jìn)行讀操作時(shí)，I/O系統(tǒng)調(diào)用在驅(qū)動(dòng)程序表中注冊的函數(shù)em_read（），該函數(shù)會(huì)將消息隊(duì)列中的內(nèi)容讀入用戶緩沖區(qū)，完成接收操作。數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示。

（4）關(guān)閉設(shè)備

關(guān)閉操作是打開操作的逆過程，當(dāng)需要關(guān)閉網(wǎng)卡時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用函數(shù)em_stop（）來完成，該函數(shù)釋放中斷向量，停止接收和發(fā)送寄存器的DMA處理，并將電源放置到低功耗。

（5）設(shè)備中斷管理

設(shè)備進(jìn)行讀/寫操作時(shí)使用，當(dāng)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)，通過觸發(fā)中斷信號，向系統(tǒng)報(bào)告這一狀態(tài)，系統(tǒng)便執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)em_intr（）進(jìn)行相應(yīng)處理。

3測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)適配中，利用編譯生成的包含BSP的ReWorks鏡像，下載至搭載網(wǎng)芯一號處理器的板卡上，對BSP的各項(xiàng)功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果均能滿足要求；同時(shí)分別進(jìn)行了各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)程序測試，均能正確實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)程序的功能。

基于自主研發(fā)的網(wǎng)芯一號處理器的硬件平臺上，分別進(jìn)行Linux操作系統(tǒng)、VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7]和銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典型性能對比測試，其中2項(xiàng)重要性能指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)需求：系統(tǒng)中斷響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和任務(wù)響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間需小于3μs；軟硬件完全自主可控。從測試結(jié)果可以看出，基于網(wǎng)芯一號處理器的硬件平臺，Linux嵌入式系統(tǒng)的2項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均不滿足需求；VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)滿足第1項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)需求，但不滿足第2項(xiàng)指標(biāo)需求；銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以同時(shí)滿足2項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)需求，系統(tǒng)中斷響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和任務(wù)響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間技術(shù)指標(biāo)不僅優(yōu)于Linux操作系統(tǒng)，而且與國外主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能相當(dāng)，甚至在部分功能測試上具有明顯優(yōu)勢。

通過對基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)的適配測試結(jié)果可知，銳華操作系統(tǒng)可以較好地適配網(wǎng)芯一號處理器，并能夠滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。同時(shí)，銳華操作系統(tǒng)提供的VxWorks兼容層模塊，極大地方便了使用VxWorks接口的應(yīng)用程序或驅(qū)動(dòng)開發(fā)的移植工作。

4結(jié)束語

本文主要面向網(wǎng)芯一號處理器在嵌入式領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性需求，開展銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)研究，主要包括BSP研究和驅(qū)動(dòng)程序研究，并基于自主研發(fā)的網(wǎng)芯一號處理器的硬件平臺，進(jìn)行銳華嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植；對高層軟件進(jìn)行修改移植，驗(yàn)證了銳華嵌入式操作系統(tǒng)滿足嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

基于網(wǎng)芯一號處理器的銳華操作系統(tǒng)適配技術(shù)，突破了基于自主芯片之上的自主可控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，研制形成了嵌入式實(shí)時(shí)自主可控處理平臺。

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