嵌入式Linux系统中内核抽象的动态扩展技术

　　嵌入式系统由于其工作环境、位置分布、与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。目前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，可以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的动态扩展具有重要意义。

　　动态扩展是指系统在运行状态下实现系统的升级和维护。动态扩展技术目前被广泛应用在软件系统开发的各个领域。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一个极大的挑战。

　　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]。这三种技术已经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有桌面操作系统所不同的特征，它在性能、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(如文件系统、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序提供服务。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。由于所有的应用程序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视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，就可以扩展Linux操作系统功能。

　　与内核空间功能扩展相比，在用户空间扩展安全性更强，对Linux操作系统和应用程序更加透明。用户层扩展技术的缺点在于，将服务提升到用户层使程序运行过程中核心态和用户态之间的切换和自陷次数增加，导致系统负载增加，系统性能下降。另外，微内核与传统的嵌入式Linux内核在结构上是完全不同的。在嵌入式Linux中，如果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。