嵌入式系統(tǒng)中的模塊動(dòng)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(dòng)態(tài)加載技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占用資源少，開(kāi)銷小，并且成功運(yùn)用于DeltaOS．可提高系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)屬性.介招加載與 動(dòng)態(tài)鏈接的原理和應(yīng)用情況，解釋相關(guān)術(shù)語(yǔ)，描述基本設(shè)計(jì)思路：詳細(xì)說(shuō)明該技術(shù)的核心。即模塊聲明、調(diào)用庫(kù)、兩級(jí)重定位表，最后給出結(jié)論。

關(guān)鍵詞

模塊 動(dòng)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(lái)越廣泛，復(fù)雜度也越來(lái)越高。這使得硬件和軟件設(shè)計(jì)比例發(fā)生了很大變化，軟件開(kāi)發(fā)的比重越來(lái)越大。然而傳統(tǒng)嵌入式 開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要將應(yīng)用與操作系統(tǒng)編譯鏈接成一個(gè)整體，然后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。如果在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需要重新編鏈接然后重復(fù)下載運(yùn)行的過(guò)程。這樣的 開(kāi)發(fā)流程周期長(zhǎng)而且繁瑣，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)快速市場(chǎng)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(kāi)發(fā)過(guò)程，除了需要可靠的基礎(chǔ)平臺(tái)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(kāi)發(fā)環(huán)境， 更重要的是需要可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的系統(tǒng)平臺(tái)。近年來(lái)，新一代的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始使用動(dòng)態(tài)擴(kuò)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(kù))和 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)分開(kāi)處理，支持模塊更新和動(dòng)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(dòng)態(tài)加載和更新；而在 消費(fèi)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(dòng)設(shè)備上得到了 廣泛應(yīng)用。

為 了成為可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)平臺(tái)，大部分嵌入式操作系統(tǒng)需要使用動(dòng)態(tài)加載技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)加載是指應(yīng)用或者系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要使用某模塊的服務(wù)，于是通過(guò) 一系列預(yù)定的動(dòng)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是加載與動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)。因?yàn)榧虞d和動(dòng)態(tài)鏈接互相依賴，關(guān)系緊密，所以將兩 者放在一起進(jìn)行討論。

1 加載與動(dòng)態(tài)鏈接機(jī)制

加載主要負(fù)責(zé)將模塊程序從二級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備(比如硬盤(pán)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(shí)鏈接和運(yùn)行時(shí)鏈接。靜態(tài)鏈接就是將程序和它運(yùn)行所需的全部庫(kù)鏈接成一個(gè)執(zhí)行文件。它的優(yōu)點(diǎn)是可以獨(dú)立運(yùn)行、速度快，但是它鏈接 生成的代碼尺寸比較大。加載時(shí)鏈接是指程序在編譯鏈接時(shí)不會(huì)把它用到的庫(kù)鏈接到執(zhí)行程序中，而是在它被加載器加載時(shí)才解析執(zhí)行文件，依次把用到的庫(kù)裝載到 系統(tǒng)中讓其運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是程序本身代碼量減小，但運(yùn)行時(shí)程序占的內(nèi)存并沒(méi)有減小，同時(shí)增加了加載器的工作量。動(dòng)態(tài)鏈接是加載時(shí)鏈接的進(jìn)一步發(fā)展，它是指 將庫(kù)的加載過(guò)程延遲到程序運(yùn)行時(shí)執(zhí)行。這種方式不會(huì)給程序引入額外的代碼，也不會(huì)增加加載器的開(kāi)銷，只有當(dāng)應(yīng)用真正使用某庫(kù)時(shí)才會(huì)加載該庫(kù)，減少了不必要 的空間占用。它的缺點(diǎn)是可能會(huì)有一些運(yùn)行開(kāi)銷。

嵌 入式系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)加載和普通的動(dòng)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(diǎn)：它是交叉加載，主機(jī)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(biāo)機(jī)端相對(duì)簡(jiǎn)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(yùn)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(chǔ)空間。當(dāng)系統(tǒng)加載了多個(gè)應(yīng)用到系統(tǒng)中時(shí)，一般需要使用overlap技術(shù)來(lái)解決內(nèi)存空間有限的問(wèn)題，即是當(dāng)多個(gè)應(yīng)用的運(yùn)行地址空間沖突時(shí)， 加載器會(huì)凍結(jié)當(dāng)前暫時(shí)不運(yùn)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(jì)。對(duì)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(jiǎn)化，每個(gè)應(yīng)用都有可以運(yùn)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(jì)。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(dòng)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(dòng)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(chǎng)，特別是對(duì)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(guò)程中，即成功地實(shí)現(xiàn)了基于該設(shè)計(jì)的加載器LambdaLoader，達(dá)到了預(yù)期的性能要求。

2 模塊動(dòng)態(tài)加載的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路