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]。這叁種技術(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(shí)也極大地方便了整個(gè)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(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)的動態(tài)擴(kuò)展性能，需要對內(nèi)核結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。
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導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。程步奇等人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)生的根本塬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)中提到的JOS(Java OperatingSystem)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 VirtualMachine)動態(tài)地加載。Liao等人在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500KB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)很適合于存儲空間非常有限的嵌入式系統(tǒng);，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)會大大降低系統(tǒng)的效率。有些Java平臺采用即時(shí)(Just?in?time)編譯技術(shù)來改進(jìn)代碼的執(zhí)行速度。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 KernelModule)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(shí)時(shí)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。
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)。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(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OperatingSystemPortalframework(OSP)的方法。該方法是將核心模塊存儲在一個(gè)資源充足的遠(yuǎn)程服務(wù)器上，并由服務(wù)器端工具OSPortal來管理所存儲的模塊，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)通常，內(nèi)核動態(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，不但降低了對內(nèi)存空間的需求，也減輕了內(nèi)核的負(fù)擔(dān)。
二、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(FieldProgrammable GateArray,現(xiàn)場可編程門陣列)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中活力和發(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NeilBergmann用uCLinux作為操作系統(tǒng)平臺，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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。
三、動態(tài)擴(kuò)展技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢
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)行動態(tài)擴(kuò)展的過程中，如果擴(kuò)展的過程時(shí)間太長，肯定會影響到系統(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，在規(guī)定的時(shí)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(shí)現(xiàn)快速的內(nèi)核動態(tài)擴(kuò)展，對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。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(shí)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。
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