主流嵌入式Linux动态扩展技术比较分析 | |||||||
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| 作者：赵彪 天极Blog (2005-06-13 17:37:36) | |||||||
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摘要：随着 嵌入式技术的快速发展和嵌入式设备的普及，嵌入式应用发展的一个关键趋势是从静态的、固定的系统功能到动态的、可扩展的系统功能。本文主要进行嵌入式 Linux系统内核动态扩展技术的讨论。首先，介绍嵌入式Linux系统的发展状况和研究嵌入式Linux动态扩展性的意义。然后，讨论现在几种主要的核 心动态扩展技术，连同各种技术在嵌入式系统上的优缺点。最后，分析嵌入式Linux动态扩展性研究所面临的挑战和发展趋势。 关键词：嵌入式Linux 内核动态扩展 LKM 引 言 嵌入式系统是电脑技术、通信技术、 半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。系统无多余软件，硬件亦无多余存储器，可靠性高，成本 低，体积小，功耗少；可应用于家电、工业、通信、国防等领域。其产品形态丰富多样，市场潜力巨大。 嵌入式Linux的出现，给整个嵌入 式世界带来了无限生机。Linux具备内核可裁剪、效率高、稳定性好、移植性好、源代码开放等长处，还内含了完整的TCP/IP网络协议栈，很适合在嵌入 式领域应用。和传统的实时操作系统（RTOS）相比，采用嵌入式Linux这样开放源码的操作系统的另外一个好处是，Linux研发团体看来会比RTOS 的供给商更快地支持新的IP协议和其他协议。例如，用于Linux的设备驱动程式要比用于商业操作系统的设备驱动程式多。因此，越来越多的公司和个人正在 把Linux作为嵌入式操作系统的最好选择。 嵌入式系统由于其工作环境、位置分 布、和应用系统的结合方式等方面的原因，在系统的升级、修改方面存在着相当的困难，且费用高。现在大多数嵌入式系统内核只能在一定程度上进行静态扩展，这 意味着修改某些内核属性值后要重新编译内核，对普通用户而言难以实现。通信的发展使得嵌入式操作系统的动态扩展成为可能，能够在远程控制的基础上增加嵌入 式系统的灵活性，延长嵌入式系统的寿命；同时，由于嵌入式Linux的应用日益广泛，研究嵌入式Linux的动态扩展具备重要意义。 动态扩展是指系统在运行状态下实现系 统的升级和维护。动态扩展技术现在被广泛应用在软件系统研发的各个领域。组件、可扩展的数据库系统、主动网等多种技术都是动态扩展技术在各个领域的具体体 现。在嵌入式操作系统领域，动态扩展技术研究的主要目标是实现内核抽象的扩展。实现操作系统内核抽象的动态扩展能够提高系统的灵活性、适应性，使系统能够 根据应用的需求，提供特定的服务。然而，由于嵌入式系统硬件资源有限，这对研究嵌入式Linux系统核心的动态扩展性是个极大的挑战。 本文主要讨论嵌入式Linux系统中内核抽象的动态扩展技术。 1、几种主要的内核动态扩展技术的分析 当前应用于操作系统中的动态扩展技术 主要有四种:微内核技术、可扩展内核技术、解释器技术/JOS技术和内核下载技术/LKM技术\[1,2\]。这三种技术已在桌面操作系统的不同环境中 得到了充分的应用。嵌入式操作系统及其使用环境具备桌面操作系统所不同的特征，他在性能、地址空间、所需存储空间和底层访问频率等方面的特征，使得我们在 扩展技术的选择上需要加以权衡。 （1） 微内核技术 在微内核操作系统中，内核中包括了一 些基本内核功能（如创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等），部分操作系统抽象和关键服务（如文档系统、网络协议栈等），都是在用户空间运行 的。这大大减小了内核的体积，同时也极大地方便了整个系统的升级、维护和移植。系统通过核心到用户层向上调用服务的方法来为应用程式提供服务。由于服务存 在于用户层，用户可通过修改服务来获得不同的行为，因而也称为用户层扩展技术。由于任何的应用程式都要利用操作系统提供的API或系统调用，完成内存管 理、进程管理、I/O、设备管理等，因此通过在用户空间监控并截获某个进程的系统调用，然后将扩展功能代码插入系统调用中，就能够扩展Linux操作系统 功能。 和内核空间功能扩展相比，在用户空间 扩展安全性更强，对Linux操作系统和应用程式更加透明。用户层扩展技术的缺点在于，将服务提升到用户层使程式运行过程中核心态和用户态之间的转换和自 陷次数增加，导致系统负载增加，系统性能下降。另外，微内核和传统的嵌入式Linux内核在结构上是完全不同的。在嵌入式Linux中，假如采用该技术来 增加系统的动态扩展性能，需要对内核结构重新设计\[2\]。
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