Android手機(jī)虛擬機(jī)平臺虛擬管道的研究與設(shè)計(jì)

王 瓊，朱正發(fā)

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

1 虛擬機(jī)系統(tǒng)簡介

近年來，隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，日益增長的嵌入式技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對嵌入式產(chǎn)品功能和性能的需求[1]。虛擬機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生加速了嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)虛擬機(jī)可以在單芯片的硬件平臺上模擬多芯片的運(yùn)行，允許一個(gè)平臺同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著地提高設(shè)備的工作效率，縮短應(yīng)用軟件的開發(fā)周期，并且減少系統(tǒng)工作的芯片數(shù)量和企業(yè)的開發(fā)成本[2-3]。

隨著硬件平臺性能的不斷提升，虛擬機(jī)被廣泛地引入到嵌入式系統(tǒng)中。通過構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)虛擬機(jī)，可以保證通用操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的并行運(yùn)行。虛擬機(jī)可以看成一個(gè)虛擬的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)將一個(gè)真實(shí)的嵌入式CPU虛擬成兩個(gè)虛擬的CPU，兩個(gè)虛擬CPU上可以分別運(yùn)行一個(gè)分時(shí)操作系統(tǒng)和一個(gè)（硬）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如圖1）[4]。

系統(tǒng)虛擬機(jī)的目的是在物理硬件和操作系統(tǒng)之間建立一層硬件抽象層，它將底層的物理硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，在操作系統(tǒng)移植過程中，操作系統(tǒng)就不需要了解底層物理信息，直接調(diào)用相應(yīng)的軟件接口就可以完成相應(yīng)的服務(wù)請求或設(shè)備配置[5]。

圖1 嵌入式虛擬機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出了一種基于Hopen虛擬機(jī)在Android手機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)雙操作系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的解決方案——虛擬管道（Virtual Pipe，Vpipe）以及NVM參數(shù)存取。

2 虛擬管道

虛擬管道指在Android手機(jī)虛擬機(jī)平臺中實(shí)現(xiàn)基帶子系統(tǒng)（RTOS）和應(yīng)用子系統(tǒng)（Linux）之間數(shù)據(jù)交互的通道（如圖2）。主要功能是：讀寫數(shù)據(jù)（包括命令、狀態(tài)、控制數(shù)據(jù)等），在單CPU上完成雙操作系統(tǒng)間的信息傳遞等。

虛擬機(jī)提供32個(gè)雙向虛擬管道來實(shí)現(xiàn)雙操作系統(tǒng)的通信。每個(gè)虛擬管道都有對應(yīng)的ID號，并且都可以分別指定各個(gè)方向緩存的大小。所有Vpipe共享一個(gè)Vpipe中斷，使用中斷狀態(tài)位來快速判斷哪一個(gè)Vpipe有中斷產(chǎn)生。

Vpipe包括輸入緩存和輸出緩存兩種緩存機(jī)制，并且必須在管道啟動(dòng)前寫入相應(yīng)的寄存器中。需要對Vpipe進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，先將數(shù)據(jù)的地址寫入到地址寄存器中，然后將字節(jié)數(shù)和操作指令寫入到指令寄存器中。

每個(gè)Vpipe工作的3種數(shù)據(jù)傳輸方式：

1）字節(jié)流管道：管道中傳輸?shù)氖亲止?jié)流，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包的邊界。發(fā)送方一次發(fā)送的數(shù)據(jù)可能被接收方分若干次取出，發(fā)送方多次發(fā)送的數(shù)據(jù)也可能被合并，從而被接收方一次取出。

2）定長數(shù)據(jù)包管道：管道中傳輸?shù)氖枪潭ㄩL度的數(shù)據(jù)包。發(fā)送方每次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，接收方每次只能接收一個(gè)數(shù)據(jù)包。

3）指針管道：管道中傳輸?shù)氖侵羔樁皇菙?shù)據(jù)內(nèi)容。發(fā)送方每次只能發(fā)送一個(gè)指針，接收方每次只能接收一個(gè)指針。

2.1 通信機(jī)制

目前只實(shí)現(xiàn)了往Vpipe里面讀寫數(shù)據(jù)的功能，管道通過Buffer來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，分為Vpipe_Outbuf和Vpipe_Inbuf。在上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中盡量減少數(shù)據(jù)的拷貝：基帶到Android只有一次拷貝，Android到基帶沒有數(shù)據(jù)拷貝。

虛擬管道中參數(shù)：Command（命令）；Status（狀態(tài)）；Data（參數(shù)）。

通信過程中，Linux組裝好數(shù)據(jù)（主要包括AT指令、PSCS數(shù)據(jù)、URC、NV參數(shù)等）發(fā)送到Vpipe，并一直查詢，等待狀態(tài)完成。

RTOS從Vpipe中獲取Linux發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，處理完成后，需要先更新Status（操作成功，返回Success；否則，返回Fail）；再根據(jù)命令的類型，有必要時(shí)也要更新Data；之后再更新Command；最后，通過Vpipe向Linux返回?cái)?shù)據(jù)。

2.2 多通道并發(fā)功能

以前的通信過程是：Android通過Vpipe發(fā)送AT指令到基帶，Vpipe接收到AT指令后通過區(qū)分不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行函數(shù)封裝，然后給Android返回“OK”，Android收到“OK”后才能進(jìn)行下一條AT指令的發(fā)送。

現(xiàn)在需要解決的問題：當(dāng)Android給基帶發(fā)送AT指令后，還沒有收到“OK”響應(yīng)又發(fā)送了一條或者多條AT指令，這樣從基帶返回的“OK”就有多個(gè)，Android如何區(qū)分返回的“OK”具體對應(yīng)于哪條AT指令。解決方案：通過在AT指令前面增加一個(gè)byte的AT標(biāo)識來區(qū)分不同的AT指令。

AT指令格式如圖3所示。

圖3 AT指令格式

Android和基帶之間AT指令的傳輸方式主要有并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸：采用MUX標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但是上下層目前都還沒有實(shí)現(xiàn)，所以不考慮這種方式。串行傳輸：適用于AT指令的數(shù)據(jù)量較小且傳輸不是很頻繁的情況。由于目前應(yīng)用層采用的是串行傳輸方式，所以選擇串行傳輸方式。

Android讀寫AT指令的方式主要有同步讀寫和異步讀寫。異步讀寫：要在請求函數(shù)中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，并且需要修改當(dāng)前應(yīng)用子系統(tǒng)的超時(shí)機(jī)制，改動(dòng)較大。同步讀寫：當(dāng)前應(yīng)用層是通過線程信號來同步讀寫，為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)，要根據(jù)上層可能發(fā)起的業(yè)務(wù)類型創(chuàng)建多個(gè)請求線程，同時(shí)往AT命令管道寫數(shù)據(jù)，當(dāng)線程收到AT的返回后，根據(jù)自定義數(shù)據(jù)中的標(biāo)志返回給對應(yīng)的請求線程。

綜上兩方面的考慮，采用串行傳輸AT指令、多請求線程、同步讀寫AT指令的方式來實(shí)現(xiàn)并發(fā)。

3 Android手機(jī)VM平臺NVM參數(shù)存取方案

在Android手機(jī)方案中，NVM參數(shù)僅在基帶內(nèi)部使用，即虛擬機(jī)中的RTOS側(cè)使用，Linux不需要NVM參數(shù)。但NVM參數(shù)存放在Flash中，而Flash硬件的控制權(quán)又放于Linux中。所以，要實(shí)現(xiàn)基帶對NVM數(shù)據(jù)的存取，又不違背Flash硬件由Linux控制的原則，必須設(shè)計(jì)一套方案來實(shí)現(xiàn)基帶通過與Linux進(jìn)行必要的交互，完成NVM數(shù)據(jù)的存取。

3.1 NVM數(shù)據(jù)存儲方案

NVM數(shù)據(jù)分為兩塊，一塊為Static參數(shù)（7 k），主要記錄產(chǎn)品固定參數(shù)，出廠后不會再修改，但調(diào)試階段需要通過工程模式進(jìn)行修改；一塊為Dynamic參數(shù)（2 k），用于記錄設(shè)備工作過程中必須記錄的信息，如當(dāng)前小區(qū)相關(guān)信息，需要能夠在設(shè)備運(yùn)行過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)保存。

該方案直接使用Android的Flash Yaffs文件系統(tǒng)，將其值保存到兩個(gè)特定文件中。這樣帶來的好處為：An?droid將數(shù)據(jù)維護(hù)交給Yaffs文件系統(tǒng)，不用擔(dān)心壞塊處理；NV文件更新方便，不需要使用工具燒寫，直接通過Android的文件系統(tǒng)通道就可以進(jìn)行NV文件更換。兩個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換使用Share Memory的方法，通知機(jī)制使用Vpipe。Init Process在啟動(dòng)基帶之前就將NV文件中的數(shù)據(jù)讀出寫入到Share Memory中，在正常工作過程中，Init Process接收到Driver的Uevent后將Share Memory數(shù)據(jù)寫入到文件系統(tǒng)對應(yīng)文件中。具體流程如圖4所示。

圖4 NVM數(shù)據(jù)存取流程圖

3.2 模塊交互流程

模塊之間的交互流程如圖5所示。在Android系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先啟動(dòng)Init Process，通過Android側(cè)的Vpipe Driver將Share Memory映射到用戶空間；然后將讀取文件系統(tǒng)中的NV文件數(shù)據(jù)寫入Share Memory；接著Android系統(tǒng)啟動(dòng)基帶軟件。

當(dāng)基帶側(cè)的NV Daemon Task需要將數(shù)據(jù)存入Flash時(shí)，通過RTOS側(cè)的Vpipe發(fā)送Request，攜帶信息需要指明更新Static NV還是Dynamic NV；Linux側(cè)的Vpipe Driver收到數(shù)據(jù)后發(fā)送Uevent到Init Process，根據(jù)請求讀取Share Memory數(shù)據(jù)寫入文件系統(tǒng)；完成后再通過Vpipe反饋ACK到基帶，NVM Daemon Task就完成一次寫操作。

圖5 Android手機(jī)虛擬機(jī)平臺NV數(shù)據(jù)存取流程圖

3.3 NVM Share Memory

將DDR中一段區(qū)域（2 k+7 k，但要保證是4 k的整數(shù)倍，即必須分配12 k）固定指定為NV Share Memory，考慮到NV的數(shù)據(jù)交互不會很頻繁，可以使該區(qū)域不開啟Dchache，所以將其地址空間類型指定為設(shè)備空間，虛實(shí)地址映射固定，從而方便兩側(cè)直接使用。

共享內(nèi)存必須考慮沖突的情況。在開機(jī)NV Dae?mon Thread第一次向Share Memory寫數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)基帶還沒有加載，那么此時(shí)Memory一定是獨(dú)占的，這時(shí)沒有沖突。在接下來的流程中，Linux側(cè)只會去讀Memory，RTOS側(cè)只會去寫Memory。當(dāng)RTOS在任務(wù)中寫Share Memory時(shí)，由于VM虛擬機(jī)保證RTOS任務(wù)的優(yōu)先級高于Linux進(jìn)程，所以整個(gè)過程都不會發(fā)生Daemon Thread讀動(dòng)作，因此RTOS的寫流程一定是安全的。但當(dāng)Linux在讀取時(shí)，RTOS可以打斷這個(gè)流程發(fā)起新的寫入Memory過程，導(dǎo)致最后Linux讀取前后不一致的數(shù)據(jù)寫入到了NV文件中。所以，這里必須有機(jī)制進(jìn)行保護(hù)。

本方案提出的方法是：RTOS NVM Daemon Task向Linux側(cè)通過Vpipe發(fā)送請求以后，還必須關(guān)注響應(yīng)，任務(wù)不需要等待，只需一次向Memory寫入，可以放棄CPU，等待一段時(shí)間再判斷。NV寫入對實(shí)時(shí)性要求不高，此處的延時(shí)可以接受。

3.4 NV文件備份

為了應(yīng)對Linux系統(tǒng)中對NV文件寫入過程掉電導(dǎo)致Flash上的文件損壞的情況，在Android文件系統(tǒng)內(nèi)部維護(hù)4個(gè)NV bin文件，其中Static_nv_bak.bin與Dynam?ic_nv_bak.bin用于存放默認(rèn)配置，這兩個(gè)文件永不寫入；Static_nv.bin與Dynamic_nv.bin用于實(shí)時(shí)記錄。在NV數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體中用一個(gè)U16的字段來記錄數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值，當(dāng)讀取NV文件發(fā)現(xiàn)該校驗(yàn)值不對時(shí)，讀取備份的NV文件并提供給基帶。同時(shí)，在基帶內(nèi)部也有一套默認(rèn)配置（與An?droid文件系統(tǒng)中的備份文件內(nèi)容一致），當(dāng)基帶從Android獲取的數(shù)據(jù)校驗(yàn)不正確時(shí)，基帶使用自己的默認(rèn)NV參數(shù)。

4 測試分析及結(jié)果

本方案的提出，解決了AT命令并發(fā)和NVM參數(shù)的存儲帶來的問題。采用串行傳輸和同步讀寫，提高了AT命令的處理效率，并且減少了時(shí)延。NVM數(shù)據(jù)存儲方案的提出，提高了NVM的讀寫速率，直接通過文件系統(tǒng)就可以快速地進(jìn)行NV文件的更換。

AT并行處理流程的調(diào)試結(jié)果：Android組裝AT命令（0x06：AT標(biāo)志；0x41542B4353510D：AT指令）并寫入到Vpipe（如圖6）；通過中斷的方式觸發(fā)基帶Vpipe驅(qū)動(dòng)去讀取AT指令，在MCD適配層進(jìn)行記錄AT標(biāo)志并且去AT標(biāo)志，然后發(fā)送到協(xié)議棧（如圖7）；協(xié)議棧收到AT指令后，返回“OK”，發(fā)送到MCD，再由MCD進(jìn)行AT標(biāo)志的填充，發(fā)送給Vpipe，最后發(fā)送到Android。

圖7 ARM log（截圖）

NVM數(shù)據(jù)存儲方案的調(diào)試結(jié)果（如圖8）：基帶通過與Android交互實(shí)現(xiàn)對NVM參數(shù)的存取，此過程是通過Vpipe完成對Share Memory的操作。

圖8 NVM數(shù)據(jù)存儲基帶log（截圖）

5 小結(jié)

本文通過引入虛擬管道技術(shù)，提出了高效的NV參數(shù)存取方案。虛擬管道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Android和Nucleus的信息交互，包括AT指令、PSCS數(shù)據(jù)、URC數(shù)據(jù)等，完成了基帶和應(yīng)用之間的一系列數(shù)據(jù)的交互。NV參數(shù)存取方案的提出，實(shí)現(xiàn)了基帶對NVM數(shù)據(jù)的存取，實(shí)現(xiàn)了基帶通過與Linux進(jìn)行必要的交互，完成NVM數(shù)據(jù)的存取。

該方案的提出為實(shí)現(xiàn)單芯片上運(yùn)行雙操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)提供了很好的解決方案，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]英特爾開源軟件技術(shù)中心，復(fù)旦大學(xué)并行處理研究所.系統(tǒng)虛擬化原理與實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]張易知，徐國治.基于微內(nèi)核架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)虛擬化技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界，2009（4）：47-49.

[3]MARTIN A，F(xiàn)LAKE J.嵌入式系統(tǒng)軟件調(diào)試跟蹤技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2005（7）：16-18.

[4]崔燁.基于Linux平臺的智能手機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[5]HU Xiao，CHEN Shuming.Applications of on-chip trace on debug?ging embedded processor[C]//Proc.Eighth ACIS International Confer?ence on Software Engineering,Artificial Intelligence,Networking,and Parallel/Distributed Computing.[S.l]：IEEE Press，2007：140-145.