嵌入式系統(tǒng)中的模塊動態(tài)加載技術(shù)

摘要

提 出一種適用于嵌入式系統(tǒng)的模塊動態(tài)加載技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)簡單，占用資源少，開銷小，并且成功運用于DeltaOS．可提高系統(tǒng)的靈活性和擴屬性.介招加載與 動態(tài)鏈接的原理和應(yīng)用情況，解釋相關(guān)術(shù)語，描述基本設(shè)計思路：詳細說明該技術(shù)的核心。即模塊聲明、調(diào)用庫、兩級重定位表，最后給出結(jié)論。

關(guān)鍵詞

模塊 動態(tài)加栽 嵌入式系統(tǒng)DeltaOS

引 言

隨 著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌人式設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，復(fù)雜度也越來越高。這使得硬件和軟件設(shè)計比例發(fā)生了很大變化，軟件開發(fā)的比重越來越大。然而傳統(tǒng)嵌入式 開發(fā)過程中需要將應(yīng)用與操作系統(tǒng)編譯鏈接成一個整體，然后下載到目標機上運行。如果在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，需要重新編鏈接然后重復(fù)下載運行的過程。這樣的 開發(fā)流程周期長而且繁瑣，已經(jīng)越來越不適應(yīng)快速市場化的需要。

為 了適應(yīng)多樣化的嵌入式應(yīng)用和加快嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，除了需要可靠的基礎(chǔ)平臺軟件的支持，如帶有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的RTOS和配套的集成開發(fā)環(huán)境， 更重要的是需要可以動態(tài)擴展的系統(tǒng)平臺。近年來，新一代的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)開始使用動態(tài)擴展技術(shù)：將基本系統(tǒng)(包括操作系統(tǒng)以及其他共享功能調(diào)用庫)和 應(yīng)用程序開發(fā)分開處理，支持模塊更新和動態(tài)加載技術(shù)。很多主流的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)廠商，如windRiver、Green HilIs、Lynxworks，都推出了面向航空航天、基礎(chǔ)通信設(shè)備等領(lǐng)域的高可靠、高性能的RTOS版本，支持應(yīng)用和系統(tǒng)組件的動態(tài)加載和更新；而在 消費電子領(lǐng)域，相關(guān)的操作系統(tǒng)廠商，如symbian、Palm、Microsoft，更是積極推出了具有相應(yīng)功能的操作系統(tǒng)，在新一代移動設(shè)備上得到了 廣泛應(yīng)用。

為 了成為可動態(tài)擴展系統(tǒng)平臺，大部分嵌入式操作系統(tǒng)需要使用動態(tài)加載技術(shù)?？偟膩碚f，動態(tài)加載是指應(yīng)用或者系統(tǒng)在運行過程中需要使用某模塊的服務(wù)，于是通過 一系列預(yù)定的動作將指定模塊加載到系統(tǒng)中，讓調(diào)用者繼續(xù)順利工作。它實現(xiàn)的關(guān)鍵就是加載與動態(tài)鏈接技術(shù)。因為加載和動態(tài)鏈接互相依賴，關(guān)系緊密，所以將兩 者放在一起進行討論。

1 加載與動態(tài)鏈接機制

加載主要負責將模塊程序從二級存儲設(shè)備(比如硬盤或者Flash)搬移到指定內(nèi)存空間，并且將模塊交由系統(tǒng)加載器統(tǒng)一管理。

程 序鏈接分為靜態(tài)鏈接、加載時鏈接和運行時鏈接。靜態(tài)鏈接就是將程序和它運行所需的全部庫鏈接成一個執(zhí)行文件。它的優(yōu)點是可以獨立運行、速度快，但是它鏈接 生成的代碼尺寸比較大。加載時鏈接是指程序在編譯鏈接時不會把它用到的庫鏈接到執(zhí)行程序中，而是在它被加載器加載時才解析執(zhí)行文件，依次把用到的庫裝載到 系統(tǒng)中讓其運行。它的優(yōu)點是程序本身代碼量減小，但運行時程序占的內(nèi)存并沒有減小，同時增加了加載器的工作量。動態(tài)鏈接是加載時鏈接的進一步發(fā)展，它是指 將庫的加載過程延遲到程序運行時執(zhí)行。這種方式不會給程序引入額外的代碼，也不會增加加載器的開銷，只有當應(yīng)用真正使用某庫時才會加載該庫，減少了不必要 的空間占用。它的缺點是可能會有一些運行開銷。

嵌 入式系統(tǒng)中動態(tài)加載和普通的動態(tài)鏈接概念類似，但是嵌入式系統(tǒng)中的加載鏈接器有其自身的特點：它是交叉加載，主機端做一部分工作，比如程序的重定位，執(zhí)行 文件的解析等等；而目標機端相對簡單，主要做模塊搜索定位和空間分配，以及指定物理地址或者映射虛擬地址讓其運行。一部分嵌入式系統(tǒng)不支持虛擬內(nèi)存，應(yīng)用 和內(nèi)核共享存儲空間。當系統(tǒng)加載了多個應(yīng)用到系統(tǒng)中時，一般需要使用overlap技術(shù)來解決內(nèi)存空間有限的問題，即是當多個應(yīng)用的運行地址空間沖突時， 加載器會凍結(jié)當前暫時不運行的應(yīng)用，讓新加載的應(yīng)用使用指定的地址空間，PairnOS中就采用了這樣的設(shè)計。對于支持虛擬內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)，加載器的工 作被大大簡化，每個應(yīng)用都有可以運行在同樣的虛擬的空間，不需要加載器為其重定位或使用overlap技術(shù)，因此提高了工作效率。 Vxworks6．O，WinCE都使用了這種設(shè)計。兩種方式在不同的領(lǐng)域都有比較多的應(yīng)用。

文 中提出的模塊動態(tài)加載技術(shù)是基于支持MMU(Memory Management Unit)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，采用了加載與動態(tài)鏈接技術(shù)。使用該技術(shù)構(gòu)建的嵌人式系統(tǒng)面向高端市場，特別是對系統(tǒng)可靠性、安全性要求很高的領(lǐng)域。在 DeltaOS新一代高可靠的版本HAR(High Available Reliable system)的研發(fā)過程中，即成功地實現(xiàn)了基于該設(shè)計的加載器LambdaLoader，達到了預(yù)期的性能要求。

2 模塊動態(tài)加載的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路