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)簡單，占用資源少，開銷小，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，描述基本設(shè)計(jì)思路：詳細(xì)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(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)用越來越廣泛，復(fù)雜度也越來越高。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(gè)整體，然后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)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(yùn)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(dòng)態(tài)擴(kuò)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(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)和應(yīng)用程序開發(fā)分開處理，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，大部分嵌入式操作系統(tǒng)需要使用動(dòng)態(tài)加載技術(shù)。總的來說，動(dòng)態(tài)加載是指應(yīng)用或者系統(tǒng)在運(yùn)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(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(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(shí)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(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，它是指將庫的加載過程延遲到程序運(yùn)行時(shí)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(dāng)應(yīng)用真正使用某庫時(shí)才會加載該庫，減少了不必要的空間占用。它的缺點(diǎn)是可能會有一些運(yùn)行開銷。

    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(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)來解決內(nèi)存空間有限的問題，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(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，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(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
    首先定義一些概念：模塊、目標(biāo)程序、接口函數(shù)地址表和調(diào)用庫(call Library)。
    ①模塊，主要是指加載器加載的一個(gè)單位，并且這里模塊的概念主要是強(qiáng)調(diào)它是為應(yīng)用或者系統(tǒng)提供一系列服務(wù)的提供者。
    ②目標(biāo)程序，是指模塊的使用者。它可以是應(yīng)用，也可以是另一個(gè)模塊。
    ③接口函數(shù)地址表(文中也稱之為模塊重定位表)，指在模塊中有一個(gè)數(shù)組表，該數(shù)組表的內(nèi)容是該模塊對外提供的函數(shù)接口的地址。
    ④調(diào)用庫，是供模塊調(diào)用者鏈接使用的專有庫。它與相關(guān)模塊一一對應(yīng)，將封裝了的模塊接口供目標(biāo)程序使用。除此以外，它還有一個(gè)運(yùn)行時(shí)才確定的模塊重定位表地址指針和模塊動(dòng)態(tài)查找定位的代碼。

    如果在系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，首先需要一種模塊定位機(jī)制，使得調(diào)用者能夠在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)定位需要的模塊，其次是要能讓模塊與目標(biāo)程序動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)在一起，協(xié)調(diào)工作。為了解決這些問題，需要一系列相關(guān)的設(shè)計(jì)：規(guī)定模塊的聲明方式；簡化目標(biāo)機(jī)端模塊地址空間定位的工作；重定位表的機(jī)制等等?；谶@樣的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以比較順利地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載。模塊動(dòng)態(tài)加載的工作流程如圖l所示。這里描述的主要是目標(biāo)機(jī)端的工作。

2.2 模塊的聲明
    模塊首先要定義它的相關(guān)屬性。這里使用模塊聲明文件來完成這個(gè)工作。模塊聲明文件中需要定義：模塊名字、版本、對外提供的API接口。在系統(tǒng)編譯模塊程序后，會調(diào)用一系列的script代碼。這些script會根據(jù)模塊名字查找模塊對應(yīng)的模塊聲明文件，并根據(jù)該文件生成供模塊調(diào)用者使用的調(diào)用庫和與模塊一起鏈接的附加庫。

    附加庫包含系統(tǒng)后臺通過調(diào)用script生成的接口函數(shù)地址表和模塊注冊函數(shù)。在每個(gè)模塊的初始化函數(shù)中，會調(diào)用一個(gè)模塊的注冊函數(shù)(該函數(shù)主要工作是向系統(tǒng)注冊模塊的名字和接口函數(shù)地址表地址)。當(dāng)模塊被加載時(shí)，初始化函數(shù)會被系統(tǒng)調(diào)用，向系統(tǒng)注冊模塊信息，此后模塊交由加載器統(tǒng)一管理。

2.3 調(diào)用庫
    每個(gè)模塊在提供一個(gè)模塊重定位表的同時(shí)，必須提供一個(gè)與之對應(yīng)的模塊調(diào)用庫。別的目標(biāo)程序必須并且只能通過調(diào)用庫來使用這個(gè)模塊提供的服務(wù)。每個(gè)調(diào)用庫都有一個(gè)存儲本模塊重定位表的地址指針變量。該變量在模塊被目標(biāo)程序第一次使用時(shí)會被初始化為相應(yīng)模塊重定位表地址。

    在模塊第一次被目標(biāo)程序使用即開始動(dòng)態(tài)加載過程時(shí)，首先運(yùn)行的是調(diào)用庫的庫初始化代碼(Library initialcode)，它通過指定的系統(tǒng)調(diào)用來初始化庫中的模塊重定位表基地址指針。此后每次目標(biāo)程序使用模塊提供的函數(shù)接口時(shí)，都通過以下公式得到該接口的實(shí)際地址：模塊接口實(shí)際地址=模塊重定位表基地址+函數(shù)index×4

    在該公式中，函數(shù)index是指對應(yīng)函數(shù)在模塊重定位表中的數(shù)組下標(biāo)值。因?yàn)楦鶕?jù)模塊聲明文件生成的調(diào)用庫中已經(jīng)包含了每個(gè)函數(shù)的索引信息(index)，同時(shí)在32位系統(tǒng)中需要乘以4得到準(zhǔn)確的偏移量，所以當(dāng)調(diào)用庫中重定位表地址被初始化后，可以通過這樣一個(gè)簡單計(jì)算得到指定接口實(shí)際地址，完成函數(shù)調(diào)用。

    當(dāng)一個(gè)目標(biāo)程序使用了模塊，并正確動(dòng)態(tài)加載后，其關(guān)系如圖2所示。目標(biāo)程序中鏈接了調(diào)用庫，包含了函數(shù)跳轉(zhuǎn)表和指向模塊重定位表基地址的指針(ModuleBase)；模塊中則鏈接了附加庫，包含了函數(shù)接口地址表(模塊重定位表)。調(diào)用模塊函數(shù)時(shí)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)加載模塊的過程以后，目標(biāo)程序的模塊重定位表基址指針指向了對應(yīng)模塊的函數(shù)接口表，然后函數(shù)調(diào)用就可以順利進(jìn)行了。

2.4 兩級重定位表
    在嵌入式領(lǐng)域，為了降低性能開銷和增加確定性，目標(biāo)機(jī)端加載器不會做程序重定位，而將相關(guān)工作在主機(jī)端完成，所以目標(biāo)機(jī)端加載的所有程序都是絕對定位后的程序．為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，必須使各個(gè)模塊能夠單獨(dú)鏈接生成執(zhí)行程序，并且運(yùn)行時(shí)不用關(guān)心彼此的定位，這樣即使一個(gè)模塊被動(dòng)態(tài)替換后也能同其他程序一起協(xié)調(diào)運(yùn)行。這里通過兩級重定位表機(jī)制來完成這個(gè)協(xié)調(diào)性的工作。

    對于內(nèi)核、操作系統(tǒng)組件模塊或提供服務(wù)給其他目標(biāo)程序使用的模塊，要維護(hù)一張本模塊提供的接口函數(shù)地址表(即模塊重定位表，這里稱之為二級重定位表)。為了保證本模塊的向后兼容性，模塊必須保證其接口函數(shù)在模塊重定位表中的相對位置固定。即使今后不能提供這個(gè)接口函數(shù)，也需要將其保留，以保證同以前版本的二進(jìn)制兼容性。
 
    在模塊的初始化代碼中，模塊通過系統(tǒng)調(diào)用向加載器注冊這個(gè)模塊重定位表的地址，注冊時(shí)需提供模塊名和模塊重定位表的地址。加載器中管理著一個(gè)稱為一級重定向表的表格。這個(gè)表的表項(xiàng)是“模塊名”到“模塊重定位表地址”的映射。因?yàn)檫@只是一個(gè)映射關(guān)系，所以各個(gè)模塊對應(yīng)的表項(xiàng)在一級表中的具體位置是可以改變的。

    二級重定位表如圖3所示。

    使用兩級重定位表的規(guī)則如下：
    ①模塊可通過模塊重定位表向其他目標(biāo)程序提供接口函數(shù)；
    ②目標(biāo)程序要使用別的模塊提供的接口函數(shù)必須通過對應(yīng)模塊的調(diào)用庫來實(shí)現(xiàn)；
    ③目標(biāo)程序在使用別的模塊提供的接口函數(shù)之前，必須通過加載器提供的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)獲取對應(yīng)模塊重定位表來基地址初始化對方的調(diào)用庫。

結(jié) 語
    該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中的模塊動(dòng)態(tài)加載與更新，使得在嵌入式軟件開發(fā)過程中，開發(fā)人員可以更有效的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，共享資源，達(dá)到提高效率、產(chǎn)品快速市場化的目的。在基于DeltaOS的實(shí)現(xiàn)中，可以完成應(yīng)用的任意加載卸載，系統(tǒng)組件的動(dòng)態(tài)更新；多個(gè)應(yīng)用可以共享一個(gè)全局的模塊；一個(gè)應(yīng)用可以同時(shí)使用多個(gè)模塊等等。整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展性和靈活性大大提高，較好地滿足了實(shí)際需要。但是設(shè)計(jì)中對容錯(cuò)性、健壯性的考慮還不夠，在應(yīng)用與模塊的間接調(diào)用處理上還有優(yōu)化的空間，所以在這些方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)。