基于操作系統(tǒng)中的內(nèi)核抽象的動態(tài)擴展技術

嵌入式系統(tǒng)是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術等先進技術和具體應用對象相結(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；可應用于家電、工業(yè)、通信、國防等領域。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。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)絡協(xié)議棧，很適合在嵌入式領域應用。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)團體看來會比RTOS的供應商更快地支持新的IP協(xié)議和其他協(xié)議。例如，用于Linux的設備驅(qū)動程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設備驅(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?shù)睦щy，且費用高。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核只能在一定程度上進行靜態(tài)擴展，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)擴展成為可能，可以在遠程控制的基礎上增加嵌入式系統(tǒng)的靈活性，延長嵌入式系統(tǒng)的壽命；同時，由于嵌入式Linux的應用日益廣泛，研究嵌入式Linux的動態(tài)擴展具有重要意義。

動態(tài)擴展是指系統(tǒng)在運行狀態(tài)下實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和維護。動態(tài)擴展技術目前被廣泛應用在軟件系統(tǒng)開發(fā)的各個領域。組件、可擴展的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、主動網(wǎng)等多種技術都是動態(tài)擴展技術在各個領域的具體體現(xiàn)。在嵌入式操作系統(tǒng)領域，動態(tài)擴展技術研究的主要目標是實現(xiàn)內(nèi)核抽象的擴展。實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核抽象的動態(tài)擴展能夠提高系統(tǒng)的靈活性、適應性，使系統(tǒng)能夠根據(jù)應用的需求，提供特定的服務。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)擴展技術。

1幾種主要的內(nèi)核動態(tài)擴展技術的分析

當前應用于操作系統(tǒng)中的動態(tài)擴展技術主要有四種：微內(nèi)核技術、可擴展內(nèi)核技術、解釋器技術/JOS技術和內(nèi)核下載技術/LKM技術\［1，2\］。 這三種技術已經(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，使得我們在擴展技術的選擇上需要加以權(quán)衡。

（1） 微內(nèi)核技術

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、任務調(diào)度、內(nèi)存管理和中斷處理等），部分操作系統(tǒng)抽象和關鍵服務（如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧等），都是在用戶空間運行的。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、維護和移植。系統(tǒng)通過核心到用戶層向上調(diào)用服務的方法來為應用程序提供服務。由于服務存在于用戶層，用戶可通過修改服務來獲得不同的行為，因而也稱為用戶層擴展技術。由于所有的應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、進程管理、I/O、設備管理等，因此通過在用戶空間監(jiān)視并截獲某個進程的系統(tǒng)調(diào)用，然后將擴展功能代碼插入系統(tǒng)調(diào)用中，就可以擴展Linux操作系統(tǒng)功能。

與內(nèi)核空間功能擴展相比，在用戶空間擴展安全性更強，對Linux操作系統(tǒng)和應用程序更加透明。用戶層擴展技術的缺點在于，將服務提升到用戶層使程序運行過程中核心態(tài)和用戶態(tài)之間的切換和自陷次數(shù)增加，導致系統(tǒng)負載增加，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，如果采用該技術來增加系統(tǒng)的動態(tài)擴展性能，需要對內(nèi)核結(jié)構(gòu)重新設計。

（2） 可擴展內(nèi)核技術

可擴展內(nèi)核技術允許用戶應用程序向內(nèi)核植入（inject）代碼以擴展其功能。由于被植入的代碼是在核心態(tài)運行，從而避免了微內(nèi)核技術中的系統(tǒng)性能下降的問題。被植入的代碼是在核心態(tài)運行，需要有一個實時檢查機制來驗證代碼的安全性，保證被植入代碼不會導致系統(tǒng)的崩潰。程步奇等人\［1\］使用軟件故障孤立技術來實現(xiàn)擴展模塊的故障孤立，保證系統(tǒng)不受到擴展模塊的破壞。 Bershad等人\［3\］也使用軟件故障孤立技術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)的負擔，問題產(chǎn)生的根本原因是那些被植入的擴展性代碼對核心來說是不可信任的。為了減輕系統(tǒng)的負擔，就需要假設被植入的代碼是安全的、可信任的。

（3） 解釋器技術/JOS技術

與文獻\［2\］中提到的JOS（Java Operating System）技術相同，該技術允許開發(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，以擴展內(nèi)核功能。

解釋器技術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代碼容易維護和編寫，可移植性好，可實現(xiàn)代碼重用。采用解釋器技術的缺點是，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)核很大一部分由應用所共享，甚至應用程序本身就是內(nèi)核的一個線程，執(zhí)行頻率高，采用解釋器技術會大大降低系統(tǒng)的效率。有些Java平臺采用即時（Just？in？time）編譯技術來改進代碼的執(zhí)行速度\［2\］。該技術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/LKM技術

許多桌面操作系統(tǒng)，例如Linux，提供LKM（Loadable Kernel Module）來動態(tài)擴展它們的內(nèi)核。當模塊（Module）安裝到內(nèi)核后就作為核心的一部分，不進行實時安全檢測，全速運行。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技術來解決。

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。與LKM一樣，DKMs以文件的形式存儲并能在系統(tǒng)運行過程中動態(tài)地加載和卸載。DKMs由一個用戶層的DKM服務器來管理，并非由內(nèi)核來管理。當核心需要某模塊時，由DKM服務器負責把相應的DKM加載；當核心的內(nèi)存資源緊缺時，由DKM服務器負責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程服務器上，并由服務器端工具OS Portal來管理所存儲的模塊，同時也負責處理客戶端（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)絡傳到客戶端。由于模塊的管理和連接都在服務器端，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。

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的方法的獨特之處在于把模塊連接的工作交給服務器端執(zhí)行，不但降低了對內(nèi)存空間的需求，也減輕了內(nèi)核的負擔。

2其他相關研究

（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）是電子設計領域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術。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)中的應用越來越廣泛。John Williams和Neil Bergmann\［6\］用uCLinux作為操作系統(tǒng)平臺，設計出可動態(tài)配置的片上系統(tǒng)（rSoC）。uCLinux從遠程服務器上下載FPGA程序代碼，然后利用shell腳本工具將代碼寫進FPGA芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的可動態(tài)擴展。

（2） 動態(tài)更新Linux內(nèi)核變量的方法

在進行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)核某些變量進行初始化。當靜態(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） 在用戶空間擴展Linux操作系統(tǒng)功能的方法

與內(nèi)核空間功能擴展相比，在用戶空間擴展安全性更強，對Linux操作系統(tǒng)和應用程序更加透明。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)用的行為來達到擴展操作系統(tǒng)功能的目的\［8\］。從本質(zhì)上來說，該方法和本文第1部分提到的可擴展內(nèi)核技術是一樣的。

3 動態(tài)擴展技術面臨的挑戰(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L

inux2.6內(nèi)核實現(xiàn)了一定程度上的可搶占性），所以，在進行嵌入式Linux系統(tǒng)動態(tài)擴展性研究開發(fā)時，首要的問題是擴展Linux的實時性能。系統(tǒng)在進行動態(tài)擴展的過程中，如果擴展的過程時間太長，肯定會影響到系統(tǒng)的實時響應，所以要求擴展過程快速完成，例如基于LKM的內(nèi)核擴展機制。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，具有功能強大的gcc編譯器工具鏈，使用了基于GNU的調(diào)試器gdb的遠程調(diào)試功能，一般由一臺客戶機運行調(diào)試程序調(diào)試宿主機運行的操作系統(tǒng)內(nèi)核；在使用遠程開發(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技術成功實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的動態(tài)擴展。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機制為嵌入式Linux動態(tài)擴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行改進，在2000年提出了一種動態(tài)模塊替換的抽象機模型。

基于JOS的動態(tài)擴展技術是一個主要發(fā)展方向。Java代碼可移植性強，容易維護，在嵌入式系統(tǒng)上很有發(fā)展前途。采用Java技術的另外一個好處是可實現(xiàn)代碼重用，在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時不必每次都從零開始。很多研究成果也促進了Java在嵌入式系統(tǒng)上的應用。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程序在運行時從遠程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)中的應用。

結(jié)語

隨著嵌入式Linux的快速發(fā)展和嵌入式Linux設備的普及，人們對可動態(tài)擴展的嵌入式Linux的需求越來越迫切。目前主要的幾種可動態(tài)擴展系統(tǒng)功能的技術，例如微內(nèi)核技術、JOS技術、LKM技術等，由于嵌入式系統(tǒng)的存儲空間有限，實時性要求高，在應用到嵌入式Linux系統(tǒng)中時都有所不足。其中，桌面Linux固有的LKM機制為嵌入式Linux動態(tài)擴展的研究帶來了先天性的優(yōu)勢；另外，Java代碼可移植性強，維護容易，在嵌入式系統(tǒng)上很有發(fā)展前途，因此基于JOS的動態(tài)擴展技術是另一個主要發(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。

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