基于嵌入式Linux動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)比較分析

嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品。系統(tǒng)無多余軟件，硬件亦無多余存儲器，可靠性高，成本低，體積小，功耗少;可應(yīng)用于家電、工業(yè)、通信、國防等領(lǐng)域。其產(chǎn)品形態(tài)豐富多樣，市場潛力巨大。

嵌入式Linux的出現(xiàn)，給整個嵌入式世界帶來了無限生機(jī)。Linux具有內(nèi)核可裁剪、效率高、穩(wěn)定性好、移植性好、源代碼開放等優(yōu)點，還內(nèi)含了完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，很適合在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用。與傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)(RTOS)相比，采用嵌入式Linux這樣開放源碼的操作系統(tǒng)的另外一個好處是，Linux開發(fā)團(tuán)體看來會比RTOS的供應(yīng)商更快地支持新的IP協(xié)議和其他協(xié)議。例如，用于Linux的設(shè)備驅(qū)動程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序多。因此，越來越多的公司和個人正在把Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。

嵌入式系統(tǒng)由于其工作環(huán)境、位置分布、與應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合方式等方面的原因，在系統(tǒng)的升級、修改方面存在著相當(dāng)?shù)睦щy，且費(fèi)用高。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核只能在一定程度上進(jìn)行靜態(tài)擴(kuò)展，這意味著修改某些內(nèi)核屬性值后要重新編譯內(nèi)核，對普通用戶而言難以實現(xiàn)。通信的發(fā)展使得嵌入式操作系統(tǒng)的動態(tài)擴(kuò)展成為可能，可以在遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上增加嵌入式系統(tǒng)的靈活性，延長嵌入式系統(tǒng)的壽命;同時，由于嵌入式Linux的應(yīng)用日益廣泛，研究嵌入式Linux的動態(tài)擴(kuò)展具有重要意義。

動態(tài)擴(kuò)展是指系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和維護(hù)。動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用在軟件系統(tǒng)開發(fā)的各個領(lǐng)域。組件、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、主動網(wǎng)等多種技術(shù)都是動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)在各個領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)研究的主要目標(biāo)是實現(xiàn)內(nèi)核抽象的擴(kuò)展。實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核抽象的動態(tài)擴(kuò)展能夠提高系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性，使系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用的需求，提供特定的服務(wù)。然而，由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限，這對研究嵌入式Linux系統(tǒng)核心的動態(tài)擴(kuò)展性是一個極大的挑戰(zhàn)。

本文主要討論嵌入式Linux系統(tǒng)中內(nèi)核抽象的動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)。

1、幾種主要的內(nèi)核動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)的分析

當(dāng)前應(yīng)用于操作系統(tǒng)中的動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)主要有四種:微內(nèi)核技術(shù)、可擴(kuò)展內(nèi)核技術(shù)、解釋器技術(shù)/JOS技術(shù)和內(nèi)核下載技術(shù)/LKM技術(shù)[1,2 ]。這三種技術(shù)已經(jīng)在桌面操作系統(tǒng)的不同環(huán)境中得到了充分的應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)及其使用環(huán)境具有桌面操作系統(tǒng)所不同的特征，它在性能、地址空間、所需存儲空間和底層訪問頻率等方面的特征，使得我們在擴(kuò)展技術(shù)的選擇上需要加以權(quán)衡。

(1) 微內(nèi)核技術(shù)

在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，內(nèi)核中包括了一些基本內(nèi)核功能(如創(chuàng)建和刪除任務(wù)、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理和中斷處理等)，部分操作系統(tǒng)抽象和關(guān)鍵服務(wù)(如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等)，都是在用戶空間運(yùn)行的。這大大減小了內(nèi)核的體積，同時也極大地方便了整個系統(tǒng)的升級、維護(hù)和移植。系統(tǒng)通過核心到用戶層向上調(diào)用服務(wù)的方法來為應(yīng)用程序提供服務(wù)。由于服務(wù)存在于用戶層，用戶可通過修改服務(wù)來獲得不同的行為，因而也稱為用戶層擴(kuò)展技術(shù)。由于所有的應(yīng)用程序都要利用操作系統(tǒng)提供的API或系統(tǒng)調(diào)用，完成內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、I/O、設(shè)備管理等，因此通過在用戶空間監(jiān)視并截獲某個進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用，然后將擴(kuò)展功能代碼插入系統(tǒng)調(diào)用中，就可以擴(kuò)展Linux操作系統(tǒng)功能。

與內(nèi)核空間功能擴(kuò)展相比，在用戶空間擴(kuò)展安全性更強(qiáng)，對Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序更加透明。用戶層擴(kuò)展技術(shù)的缺點在于，將服務(wù)提升到用戶層使程序運(yùn)行過程中核心態(tài)和用戶態(tài)之間的切換和自陷次數(shù)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載增加，系統(tǒng)性能下降。另外，微內(nèi)核與傳統(tǒng)的嵌入式Linux內(nèi)核在結(jié)構(gòu)上是完全不同的。在嵌入式Linux中，如果采用該技術(shù)來增加系統(tǒng)的動態(tài)擴(kuò)展性能，需要對內(nèi)核結(jié)構(gòu)重新設(shè)計[2]。

(2) 可擴(kuò)展內(nèi)核技術(shù)

可擴(kuò)展內(nèi)核技術(shù)允許用戶應(yīng)用程序向內(nèi)核植入(inject)代碼以擴(kuò)展其功能。由于被植入的代碼是在核心態(tài)運(yùn)行，從而避免了微內(nèi)核技術(shù)中的系統(tǒng)性能下降的問題。被植入的代碼是在核心態(tài)運(yùn)行，需要有一個實時檢查機(jī)制來驗證代碼的安全性，保證被植入代碼不會導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。程步奇等人[1]使用軟件故障孤立技術(shù)來實現(xiàn)擴(kuò)展模塊的故障孤立，保證系統(tǒng)不受到擴(kuò)展模塊的破壞。 Bershad等人[3]也使用軟件故障孤立技術(shù)來限制被植入代碼可訪問的內(nèi)存地址范圍。代碼安全性檢查無疑增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，問題產(chǎn)生的根本原因是那些被植入的擴(kuò)展性代碼對核心來說是不可信任的。為了減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，就需要假設(shè)被植入的代碼是安全的、可信任的。

(3) 解釋器技術(shù)/JOS技術(shù)

與文獻(xiàn)[2]中提到的JOS(Java Operating System)技術(shù)相同，該技術(shù)允許開發(fā)者用Java語言編寫系統(tǒng)模塊，例如TCP/IP協(xié)議?；蛭募到y(tǒng)。將這些模塊編譯成類(class)文件，并在系統(tǒng)運(yùn)行時由JVM(Java Virtual Machine)動態(tài)地加載。Liao等人[4]在1996年提出，將JVM插入到微內(nèi)核中，從而可以讓用戶編寫Java程序，以擴(kuò)展內(nèi)核功能。

解釋器技術(shù)是以解釋的方式來執(zhí)行程序代碼的，比較適合于交互式系統(tǒng);與編譯器相比，解釋器/JVM在移植時相對簡單;解釋器通過采用中間代碼表示的方法，當(dāng)代碼長度小于500 KB的時候，可執(zhí)行的中間代碼通常比編譯產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼小，這一點很適合于存儲空間非常有限的嵌入式系統(tǒng);最后，Java代碼容易維護(hù)和編寫，可移植性好，可實現(xiàn)代碼重用。采用解釋器技術(shù)的缺點是，中間可執(zhí)行代碼的執(zhí)行速度慢。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核很大一部分由應(yīng)用所共享，甚至應(yīng)用程序本身就是內(nèi)核的一個線程，執(zhí)行頻率高，采用解釋器技術(shù)會大大降低系統(tǒng)的效率。有些Java平臺采用即時(JuSTintime)編譯技術(shù)來改進(jìn)代碼的執(zhí)行速度[2]。該技術(shù)是利用空間來換取時間，因此很難在硬件資源非常有限的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)。此外，由于Java語言的類庫很大，在一定程度上也阻礙了其在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展。

(4) 內(nèi)核加載技術(shù)/LKM技術(shù)

許多桌面操作系統(tǒng)，例如Linux，提供LKM(Loadable Kernel Module)來動態(tài)擴(kuò)展它們的內(nèi)核。當(dāng)模塊(Module)安裝到內(nèi)核后就作為核心的一部分，不進(jìn)行實時安全檢測，全速運(yùn)行。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，LKM的主要問題是：存儲模塊需要占用額外空間以及被加載模塊的安全性。模塊的安全問題可以通過軟件保護(hù)技術(shù)來解決[1]。

Oikawa等人在1996年提出一種與LKM類似的動態(tài)核心模塊(DKMs)技術(shù)[5]。與LKM一樣，DKMs以文件的形式存儲并能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中動態(tài)地加載和卸載。DKMs由一個用戶層的DKM服務(wù)器來管理，并非由內(nèi)核來管理。當(dāng)核心需要某模塊時，由DKM服務(wù)器負(fù)責(zé)把相應(yīng)的DKM 加載;當(dāng)核心的內(nèi)存資源緊缺時，由DKM服務(wù)器負(fù)責(zé)卸載一個沒有被使用的DKM。缺點是所有的DKM是存儲在本地系統(tǒng)上的，占用了大量寶貴的存儲空間。

與Oikawa的方法不同，Chang DaWei 等人于2003年提出了OperatingSystemPortal framework(OSP)的方法[2]。該方法是將核心模塊存儲在一個資源充足的遠(yuǎn)程服務(wù)器上，并由服務(wù)器端工具OS Portal來管理所存儲的模塊，同時也負(fù)責(zé)處理客戶端(嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核)發(fā)出的請求，按照請求動態(tài)的選擇并連接模塊，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳到客戶端。由于模塊的管理和連接都在服務(wù)器端，所以對客戶端來說可以節(jié)省大量的資源空間。OS Portal的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OS Portal的結(jié)構(gòu)圖

OS Portal的結(jié)構(gòu)通常，內(nèi)核動態(tài)加載模塊的時候，模塊的連接工作由內(nèi)核完成。Chang DaWei的方法的獨(dú)特之處在于把模塊連接的工作交給服務(wù)器端執(zhí)行，不但降低了對內(nèi)存空間的需求，也減輕了內(nèi)核的負(fù)擔(dān)。

2、其他相關(guān)研究

(1) 基于FPGA的可動態(tài)配置的片上系統(tǒng)

FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)。FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用它來實現(xiàn)。FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。John Williams和Neil Bergmann[6]用uCLinux作為操作系統(tǒng)平臺，設(shè)計出可動態(tài)配置的片上系統(tǒng)(rSoC)。uCLinux從遠(yuǎn)程服務(wù)器上下載FPGA程序代碼，然后利用shell腳本工具將代碼寫進(jìn)FPGA芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的可動態(tài)擴(kuò)展。

(2) 動態(tài)更新Linux內(nèi)核變量的方法

在進(jìn)行Linux內(nèi)核嵌入式開發(fā)時，經(jīng)常使用內(nèi)核啟動過程中讀取靜態(tài)配置文件內(nèi)容的方法對內(nèi)核某些變量進(jìn)行初始化。當(dāng)靜態(tài)配置文件改動時，只有重新啟動內(nèi)核才能使新的配置生效。北京科技大學(xué)的田玉鳳等人[7]通過修改文件./include/linux/proc_fs.h，重新編譯、安裝新內(nèi)核后，利用/proc文件系統(tǒng)，可動態(tài)改變Linux內(nèi)核變量。

(3) 在用戶空間擴(kuò)展Linux操作系統(tǒng)功能的方法

與內(nèi)核空間功能擴(kuò)展相比，在用戶空間擴(kuò)展安全性更強(qiáng)，對Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序更加透明。魏東林、盧正鼎等人通過在用戶空間跟蹤截獲系統(tǒng)調(diào)用并更改系統(tǒng)調(diào)用的行為來達(dá)到擴(kuò)展操作系統(tǒng)功能的目的[8]。從本質(zhì)上來說，該方法和本文第1部分提到的可擴(kuò)展內(nèi)核技術(shù)是一樣的。

3、動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢

(1) 高實時性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求

由于Linux是一種通用操作系統(tǒng)，而不是一個真正的實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級和搶占實時特性(2003年底推出的Linux2.6 內(nèi)核實現(xiàn)了一定程度上的可搶占性)，所以，在進(jìn)行嵌入式Linux系統(tǒng)動態(tài)擴(kuò)展性研究開發(fā)時，首要的問題是擴(kuò)展Linux的實時性能。系統(tǒng)在進(jìn)行動態(tài)擴(kuò)展的過程中，如果擴(kuò)展的過程時間太長，肯定會影響到系統(tǒng)的實時響應(yīng)，所以要求擴(kuò)展過程快速完成，例如基于LKM的內(nèi)核擴(kuò)展機(jī)制。如果模塊加載或替換的時間太長，在規(guī)定的時間內(nèi)不能完成，這對于嵌入式Linux的某些應(yīng)用來說是不能接受的。

(2) 資源有限性是嵌入式系統(tǒng)基本特征

嵌入式系統(tǒng)無多余軟件也無多余硬件存儲器，增加存儲空間意味著成本的上升。在非常有限的存儲空間中要實現(xiàn)快速的內(nèi)核動態(tài)擴(kuò)展，對研究人員來說是一個極大的挑戰(zhàn)。在桌面PC世界，雖然已經(jīng)有很多動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)功能的方法，但在嵌入式世界很難實現(xiàn)。例如Linux系統(tǒng)的LKM機(jī)制，若模塊加載過程不經(jīng)改造，在嵌入式Linux系統(tǒng)中是不能使用的。

(3) 期待完善的集成開發(fā)環(huán)境

一個完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要編譯/連接器、內(nèi)核調(diào)試/跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等。在Linux系統(tǒng)中，具有功能強(qiáng)大的gcc編譯器工具鏈，使用了基于GNU的調(diào)試器gdb的遠(yuǎn)程調(diào)試功能，一般由一臺客戶機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序調(diào)試宿主機(jī)運(yùn)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核;在使用遠(yuǎn)程開發(fā)時還可以使用交叉平臺的方式，如在Windows平臺下的調(diào)試跟蹤器對Linux的宿主系統(tǒng)作調(diào)試。但是，Linux在基于圖形界面的特定系統(tǒng)定制平臺的研究上，與Windows操作系統(tǒng)相比還存在差距。因此，要使嵌入式Linux動態(tài)擴(kuò)展的研究更加方便、快捷，整體集成開發(fā)環(huán)境還有待提高和完善。

桌面Linux使用LKM技術(shù)成功實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的動態(tài)擴(kuò)展。嵌入式Linux繼承了桌面Linux絕大部分功能和特性，桌面Linux固有的 LKM機(jī)制為嵌入式Linux動態(tài)擴(kuò)展的研究帶來了先天性的優(yōu)勢，可大大節(jié)省研究人員的時間和精力。在動態(tài)模塊替換方面也有了很大的發(fā)展，Chris Walton等人[9]通過對二空間拷貝垃圾回收算法進(jìn)行改進(jìn)，在2000年提出了一種動態(tài)模塊替換的抽象機(jī)模型。

基于JOS的動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)是一個主要發(fā)展方向。Java代碼可移植性強(qiáng)，容易維護(hù)，在嵌入式系統(tǒng)上很有發(fā)展前途。采用Java技術(shù)的另外一個好處是可實現(xiàn)代碼重用，在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時不必每次都從零開始。很多研究成果也促進(jìn)了Java在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用。Derek Rayside等人在2002年提出一種類庫子集選擇方法[10]。該方法可以讓嵌入式系統(tǒng)中的Java程序在運(yùn)行時從遠(yuǎn)程Java類庫中僅選擇所需要的子集，然后下載到本地系統(tǒng)，從而減小對嵌入式系統(tǒng)存儲空間的需求，解決了因Java語言的類庫太大而阻礙了在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。

結(jié)束語

隨著嵌入式Linux的快速發(fā)展和嵌入式Linux設(shè)備的普及，人們對可動態(tài)擴(kuò)展的嵌入式Linux的需求越來越迫切。目前主要的幾種可動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)功能的技術(shù)，例如微內(nèi)核技術(shù)、JOS技術(shù)、LKM技術(shù)等，由于嵌入式系統(tǒng)的存儲空間有限，實時性要求高，在應(yīng)用到嵌入式Linux系統(tǒng)中時都有所不足。其中，桌面Linux固有的LKM機(jī)制為嵌入式Linux動態(tài)擴(kuò)展的研究帶來了先天性的優(yōu)勢;另外，Java代碼可移植性強(qiáng)，維護(hù)容易，在嵌入式系統(tǒng)上很有發(fā)展前途，因此基于JOS的動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)是另一個主要發(fā)展方向。最后，一個完善的嵌入式Linux集成開發(fā)環(huán)境是每一個開發(fā)人員所期待的。