基于嵌入式Linux動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)比較分析

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)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(duì)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(chǔ)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(guó)防等領(lǐng)域。其產(chǎn)品形態(tài)豐富多樣，市場(chǎng)潛力巨大。

嵌入式Linux的出現(xiàn)，給整個(gè)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(diǎn)，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(shí)時(shí)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(gè)好處是，Linux開發(fā)團(tuán)體看來會(huì)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(dòng)程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序多。因此，越來越多的公司和個(gè)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(jí)、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(duì)普通用戶而言難以實(shí)現(xiàn)。通信的發(fā)展使得嵌入式操作系統(tǒng)的動(dòng)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(zhǎng)嵌入式系統(tǒng)的壽命;同時(shí)，由于嵌入式Linux的應(yīng)用日益廣泛，研究嵌入式Linux的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展具有重要意義。

動(dòng)態(tài)擴(kuò)展是指系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。動(dòng)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(gè)領(lǐng)域。組件、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、主動(dòng)網(wǎng)等多種技術(shù)都是動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)研究的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)核抽象的擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核抽象的動(dòng)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(duì)研究嵌入式Linux系統(tǒng)核心的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性是一個(gè)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)。

1、幾種主要的內(nèi)核動(dòng)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(dòng)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(chǔ)空間和底層訪問頻率等方面的特征，使得我們?cè)跀U(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(shí)也極大地方便了整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)、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(gè)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(duì)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(diǎn)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展性能，需要對(duì)內(nèi)核結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)[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(gè)實(shí)時(shí)檢查機(jī)制來驗(yàn)證代碼的安全性，保證被植入代碼不會(huì)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(shí)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(duì)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)議棧或文件系統(tǒng)。將這些模塊編譯成類(class)文件，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由JVM(Java Virtual Machine)動(dòng)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(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單;解釋器通過采用中間代碼表示的方法，當(dāng)代碼長(zhǎng)度小于500 KB的時(shí)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(diǎn)很適合于存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)代碼重用。采用解釋器技術(shù)的缺點(diǎn)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(gè)線程，執(zhí)行頻率高，采用解釋器技術(shù)會(huì)大大降低系統(tǒng)的效率。有些Java平臺(tái)采用即時(shí)(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(shí)間，因此很難在硬件資源非常有限的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)安全檢測(cè)，全速運(yùn)行。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，LKM的主要問題是：存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)核心模塊(DKMs)技術(shù)[5]。與LKM一樣，DKMs以文件的形式存儲(chǔ)并能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)地加載和卸載。DKMs由一個(gè)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(shí)，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(shí)，由DKM服務(wù)器負(fù)責(zé)卸載一個(gè)沒有被使用的DKM。缺點(diǎn)是所有的DKM是存儲(chǔ)在本地系統(tǒng)上的，占用了大量寶貴的存儲(chǔ)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(chǔ)在一個(gè)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(chǔ)的模塊，同時(shí)也負(fù)責(zé)處理客戶端(嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核)發(fā)出的請(qǐng)求，按照請(qǐng)求動(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)加載模塊的時(shí)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(duì)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(dòng)態(tài)配置的片上系統(tǒng)

FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)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(jiǎn)單的74電路，都可以用它來實(shí)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(tái)，設(shè)計(jì)出可動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

(2) 動(dòng)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(shí)，經(jīng)常使用內(nèi)核啟動(dòng)過程中讀取靜態(tài)配置文件內(nèi)容的方法對(duì)內(nèi)核某些變量進(jìn)行初始化。當(dāng)靜態(tài)配置文件改動(dòng)時(shí)，只有重新啟動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)

(1) 高實(shí)時(shí)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(gè)真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級(jí)和搶占實(shí)時(shí)特性(2003年底推出的Linux2.6 內(nèi)核實(shí)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展性研究開發(fā)時(shí)，首要的問題是擴(kuò)展Linux的實(shí)時(shí)性能。系統(tǒng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的過程中，如果擴(kuò)展的過程時(shí)間太長(zhǎng)，肯定會(huì)影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)間太長(zhǎng)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能完成，這對(duì)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(chǔ)器，增加存儲(chǔ)空間意味著成本的上升。在非常有限的存儲(chǔ)空間中要實(shí)現(xiàn)快速的內(nèi)核動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，對(duì)研究人員來說是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。在桌面PC世界，雖然已經(jīng)有很多動(dòng)態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)功能的方法，但在嵌入式世界很難實(shí)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(gè)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(tái)。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺(tái)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(tái)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(shí)還可以使用交叉平臺(tái)的方式，如在Windows平臺(tái)下的調(diào)試跟蹤器對(duì)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(tái)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能的動(dòng)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展的研究帶來了先天性的優(yōu)勢(shì)，可大大節(jié)省研究人員的時(shí)間和精力。在動(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)模塊替換的抽象機(jī)模型。

基于JOS的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)是一個(gè)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(gè)好處是可實(shí)現(xiàn)代碼重用，在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)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(shí)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(duì)嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)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(duì)可動(dòng)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(dòng)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(chǔ)空間有限，實(shí)時(shí)性要求高，在應(yīng)用到嵌入式Linux系統(tǒng)中時(shí)都有所不足。其中，桌面Linux固有的LKM機(jī)制為嵌入式Linux動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的研究帶來了先天性的優(yōu)勢(shì);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(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)是另一個(gè)主要發(fā)展方向。最后，一個(gè)完善的嵌入式Linux集成開發(fā)環(huán)境是每一個(gè)開發(fā)人員所期待的。