摘要：隨著嵌入式技術的快速發展和嵌入式設備的普及，嵌入式應用發展的一個關鍵趨勢是從靜態的、固定的系統功能到動態的、可擴展的系統功能。本文主要進行嵌入式Linux系統內核動態擴展技術的討論。首先，介紹嵌入式Linux系統的發展狀況和研究嵌入式Linux動態擴展性的意義。然後，討論目前幾種主要的核心動態擴展技術，以及各種技術在嵌入式系統上的優缺點。最後，分析嵌入式Linux動態擴展性研究所面臨的挑戰和發展趨勢。
關鍵詞：嵌入式Linux 內核動態擴展 LKM
引 言
嵌入式系統是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術等先進技術和具體應用對象相結合後的更新換代產品。系統無多余軟件，硬件亦無多余存儲器，可靠性高，成本低，體積小，功耗少；可應用於家電、工業、通信、國防等領域。其產品形態豐富多樣，市場潛力巨大。
嵌入式Linux的出現，給整個嵌入式世界帶來了無限生機。Linux具有內核可裁剪、效率高、穩定性好、移植性好、源代碼開放等優點，還內含了完整的TCP/IP網絡協議棧，很適合在嵌入式領域應用。與傳統的實時操作系統（RTOS）相比，采用嵌入式Linux這樣開放源碼的操作系統的另外一個好處是，Linux開發團體看來會比RTOS的供應商更快地支持新的IP協議和其他協議。例如，用於Linux的設備驅動程序要比用於商業操作系統的設備驅動程序多。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的首選。
嵌入式系統由於其工作環境、位置分布、與應用系統的結合方式等方面的原因，在系統的升級、修改方面存在著相當的困難，且費用高。目前大多數嵌入式系統內核只能在一定程度上進行靜態擴展，這意味著修改某些內核屬性值後要重新編譯內核，對普通用戶而言難以實現。通信的發展使得嵌入式操作系統的動態擴展成為可能，可以在遠程控制的基礎上增加嵌入式系統的靈活性，延長嵌入式系統的壽命；同時，由於嵌入式Linux的應用日益廣泛，研究嵌入式Linux的動態擴展具有重要意義。
動態擴展是指系統在運行狀態下實現系統的升級和維護。動態擴展技術目前被廣泛應用在軟件系統開發的各個領域。組件、可擴展的數據庫系統、主動網等多種技術都是動態擴展技術在各個領域的具體體現。在嵌入式操作系統領域，動態擴展技術研究的主要目標是實現內核抽象的擴展。實現操作系統內核抽象的動態擴展能夠提高系統的靈活性、適應性，使系統能夠根據應用的需求，提供特定的服務。然而，由於嵌入式系統硬件資源有限，這對研究嵌入式Linux系統核心的動態擴展性是一個極大的挑戰。
本文主要討論嵌入式Linux系統中內核抽象的動態擴展技術。
1、幾種主要的內核動態擴展技術的分析
當前應用於操作系統中的動態擴展技術主要有四種:微內核技術、可擴展內核技術、解釋器技術/JOS技術和內核下載技術/LKM技術\[1,2\]。 這三種技術已經在桌面操作系統的不同環境中得到了充分的應用。嵌入式操作系統及其使用環境具有桌面操作系統所不同的特征，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衡。
（1） 微內核技術
在微內核操作系統中，內核中包括了一些基本內核功能（如創建和刪除任務、任務調度、內存管理和中斷處理等），部分操作系統抽象和關鍵服務（如文件系統、網絡協議棧等），都是在用戶空間運行的。這大大減小了內核的體積，同時也極大地方便了整個系統的升級、維護和移植。系統通過核心到用戶層向上調用服務的方法來為應用程序提供服務。由於服務存在於用戶層，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。由於所有的應用程序都要利用操作系統提供的API或系統調用，完成內存管理、進程管理、I/O、設備管理等，因此通過在用戶空間監視並截獲某個進程的系統調用，然後將擴展功能代碼插入系統調用中，就可以擴展Linux操作系統功能。
與內核空間功能擴展相比，在用戶空間擴展安全性更強，對Linux操作系統和應用程序更加透明。用戶層擴展技術的缺點在於，將服務提升到用戶層使程序運行過程中核心態和用戶態之間的切換和自陷次數增加，導致系統負載增加，系統性能下降。另外，微內核與傳統的嵌入式Linux內核在結構上是完全不同的。在嵌入式Linux中，如果采用該技術來增加系統的動態擴展性能，需要對內核結構重新設計\[2\]。
（2） 可擴展內核技術
可擴展內核技術允許用戶應用程序向內核植入（inject）代碼以擴展其功能。由於被植入的代碼是在核心態運行，從而避免了微內核技術中的系統性能下降的問題。被植入的代碼是在核心態運行，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的崩潰。程步奇等人\[1\]使用軟件故障孤立技術來實現擴展模塊的故障孤立，保證系統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存地址范圍。代碼安全性檢查無疑增加了系統的負擔，問題產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，該技術允許開發者用Java語言編寫系統模塊，例如TCP/IP協議棧或文件系統。將這些模塊編譯成類（class）文件，並在系統運行時由JVM（Java Virtual Machine）動態地加載。Liao等人\[4\]在1996年提出，將JVM插入到微內核中，從而可以讓用戶編寫Java程序，以擴展內核功能。
解釋器技術是以解釋的方式來執行程序代碼的，比較適合於交互式系統；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，當代碼長度小於500 KB的時候，可執行的中間代碼通常比編譯產生的二進制代碼小，這一點很適合於存儲空間非常有限的嵌入式系統；最後，Java代碼容易維護和編寫，可移植性好，可實現代碼重用。采用解釋器技術的缺點是，中間可執行代碼的執行速度慢。在嵌入式Linux系統中，內核很大一部分由應用所共享，甚至應用程序本身就是內核的一個線程，執行頻率高，采用解釋器技術會大大降低系統的效率。有些Java平台采用即時(Justintime)編譯技術來改進代碼的執行速度\[2\]。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上實現。此外，由於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中的發展。
（4） 內核加載技術/LKM技術
許多桌面操作系統，例如Linux，提供LKM（Loadable Kernel Module）來動態擴展它們的內核。當模塊(Module)安裝到內核後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\[1\]。
Oikawa等人在1996年提出一種與LKM類似的動態核心模塊（DKMs）技術\[5\]。與LKM一樣，DKMs以文件的形式存儲並能在系統運行過程中動態地加載和卸載。DKMs由一個用戶層的DKM服務器來管理，並非由內核來管理。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 等人於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，並由服務器端工具OS Portal來管理所存儲的模塊，同時也負責處理客戶端（嵌入式系統內核）發出的請求，按照請求動態的選擇並連接模塊，然後通過網絡傳到客戶端。由於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省大量的資源空間。OS Portal的結構如圖1所示。
圖1
OS Portal的結構通常，內核動態加載模塊的時候，模塊的連接工作由內核完成。Chang DaWei的方法的獨特之處在於把模塊連接的工作交給服務器端執行，不但降低了對內存空間的需求，也減輕了內核的負擔。
2、其他相關研究
（1） 基於FPGA的可動態配置的片上系統
FPGA（Field Programmable Gate Array,現場可編程門陣列）是電子設計領域中最具活力和發展前途的一項技術。FPGA能完成任何數字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用它來實現。FPGA在嵌入式系統中的應用越來越廣泛。John Williams和Neil Bergmann\[6\]用UCLinux作為操作系統平台，設計出可動態配置的片上系統（rSoC）。uCLinux從遠程服務器上下載FPGA程序代碼，然後利用shell腳本工具將代碼寫進FPGA芯片，實現系統功能的可動態擴展。
（2） 動態更新Linux內核變量的方法
在進行Linux內核嵌入式開發時，經常使用內核啟動過程中讀取靜態配置文件內容的方法對內核某些變量進行初始化。當靜態配置文件改動時，只有重新啟動內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、安裝新內核後，利用/proc文件系統，可動態改變Linux內核變量。
（3） 在用戶空間擴展Linux操作系統功能的方法
與內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調用並更改系統調用的行為來達到擴展操作系統功能的目的\[8\]。從本質上來說，該方法和本文第1部分提到的可擴展內核技術是一樣的。
3、動態擴展技術面臨的挑戰和發展趨勢
（1） 高實時性是嵌入式系統的基本要求
由於Linux是一種通用操作系統，而不是一個真正的實時操作系統，內核不支持事件優先級和搶占實時特性（2003年底推出的Linux2.6內核實現了一定程度上的可搶占性），所以，在進行嵌入式Linux系統動態擴展性研究開發時，首要的問題是擴展Linux的實時性能。系統在進行動態擴展的過程中，如果擴展的過程時間太長，肯定會影響到系統的實時響應，所以要求擴展過程快速完成，例如基於LKM的內核擴展機制。如果模塊加載或替換的時間太長，在規定的時間內不能完成，這對於嵌入式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基本特征
嵌入式系統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快速的內核動態擴展，對研究人員來說是一個極大的挑戰。在桌面PC世界，雖然已經有很多動態擴展系統功能的方法，但在嵌入式世界很難實現。例如Linux系統的LKM機制，若模塊加載過程不經改造，在嵌入式Linux系統中是不能使用的。
（3） 期待完善的集成開發環境
一個完整的嵌入式系統的集成開發環境一般需要編譯/連接器、內核調試/跟蹤器和集成圖形界面開發平台。其中的集成圖形界面開發平台包括編輯器、調試器、軟件仿真器和監視器等。在Linux系統中，具有功能強大的gcc編譯器工具鏈，使用了基於GNU的調試器gdb的遠程調試功能，一般由一台客戶機運行調試程序調試宿主機運行的操作系統內核；在使用遠程開發時還可以使用交叉平台的方式，如在Windows平台下的調試跟蹤器對Linux的宿主系統作調試。但是，Linux在基於圖形界面的特定系統定制平台的研究上，與Windows操作系統相比還存在差距。因此，要使嵌入式Linux動態擴展的研究更加方便、快捷，整體集成開發環境還有待提高和完善。
桌面Linux使用LKM技術成功實現了系統功能的動態擴展。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動態擴展的研究帶來了先天性的優勢，可大大節省研究人員的時間和精力。在動態模塊替換方面也有了很大的發展，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年提出了一種動態模塊替換的抽象機模型。
基於JOS的動態擴展技術是一個主要發展方向。Java代碼可移植性強，容易維護，在嵌入式系統上很有發展前途。采用Java技術的另外一個好處是可實現代碼重用，在進行嵌入式系統開發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，然後下載到本地系統，從而減小對嵌入式系統存儲空間的需求，解決了因Java語言的類庫太大而阻礙了在嵌入式系統中的應用。
結束語
隨著嵌入式Linux的快速發展和嵌入式Linux設備的普及，人們對可動態擴展的嵌入式Linux的需求越來越迫切。目前主要的幾種可動態擴展系統功能的技術，例如微內核技術、JOS技術、LKM技術等，由於嵌入式系統的存儲空間有限，實時性要求高，在應用到嵌入式Linux系統中時都有所不足。其中，桌面Linux固有的LKM機制為嵌入式Linux動態擴展的研究帶來了先天性的優勢；另外，Java代碼可移植性強，維護容易，在嵌入式系統上很有發展前途，因此基於JOS的動態擴展技術是另一個主要發展方向。最後，一個完善的嵌入式Linux集成開發環境是每一個開發人員所期待的。
參考文獻
1 程步奇，尹寶林.可動態擴展的嵌入式操作系統\[J\]. 小型微型計算機系統, 2003, 24(2): 216～217
2 Chang DaWei, Chang RueiChuan. OS Protal:an economic approach for making an embedded kernel extensible\[J\]. The Journal of Systems and Software , 2003, 67: 19～30
3 Bershad B N, et al. Extensibility, safety and performance in the SPIN operating system\[A\]. In: Proceedings of the 15th ACM symposium on Operating systems principles\[C\]. 1995
4 Liao W S, SeeMong T, Campbell R H. Finegrained, dynamic user customization of operating systems\[A\]. In: Proceedings of the 5th International Workshop on Object Orientation in Operating Systems (IWOOOS '96)\[C\], 1996
5 Oikawa S, Sugiura K, Tokuda H. Adaptive object management for a reconfigurable microkernel\[A\]. In: Proceedings of the 5th International Workshop on Object Orientation in Operating Systems (IWOOOS '96)\[C\], 1996
6 John Williams, Neil Bergmann. Embedded Linux as a platform for dynamically selfreconfiguring systemsonchip\[A\]. In: Proceedings Engineering of Reconfigurable Systems and Algorithms (ERSA 2004)\[C\]. Las Vegas, Nevada, USA. 2004
7 田玉鳳,王沁. 一種動態更新LINUX內核變量的實現方法\[J\]. 計算機工程與設計，2003, 24(11):52～55
8 魏東林,盧正鼎,董俊,等. 在用戶空間擴展Linux操作系統功能方法研究\[J\].華中科技大學學報(自然科學版)，2002,30(7): 42～43
9 Chris Walton, Dilsun Kirh, Stephen Gilmore. An abstract machine model of dynamic module replacement\[J\]. Future Generation Computer Systems. 2000,16: 793～808
10 Derek Rayside,Kostas Kontogiannis. Extracting Java library subsets for deployment on embedded systems\[J\]. Science of Computer Programming. 2002, 45: 245～270
武延民：碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統。姚柳：助教，主要研究方向為信息技術與課程整合。