基于Linux上进行改进的具有实时应用能力的现代嵌入式操作系统解决方案详解

1 引言

现今较为流行的操作系统Linux，本着开放、自由的精神吸引了全世界的目光，但将它应用于嵌入式实时环境还有许多缺点。特别是在运行内核线程时，Linux 关闭中断，而且分时调度虚拟文件系统的时间不确定性、缺乏高精度的计时器等问题都是需要解决的，所以在Linux 上进行实时改进，建立具有实时应用能力的操作系统是现代嵌入式操作系统的解决方案，也日益成为人们关注的课题。

目前，大多数嵌入式设备都具有存储容量小、处理速度慢和网络应用单一等特点，在这样的嵌入式系统中应用传统的单块式网络协议栈就存在问题：一是如果协议栈中某个子协议功能需要升级，就要升级整个协议栈甚至重新编译全部内核文件，工作流程复杂;二是协议栈不够灵活，不能根据嵌入式系统对网络通信的实际需求配置其内容。

2 构件技术介绍

早在60 年代，“软件构件”与“软件组装生产线”思想在国际北大西洋公约组织软件工程会议上被提出来，从此，采用构件技术实现软件复用，采用“搭积木”的方式生产软件，成为软件业长期的梦想。然而，由于技术水平的限制，在很长一段时间内，构件技术只是作为一种思想存在，直到CORBA 、J2EE、.NET 出现，中间件兴起以后，构件技术才逐渐走向现实。

构件最大的特点是可以不断复用、降低成本、缩短开发周期。从构件技术的实现来看，它规定了一种普遍使用的抽象“标准”，即规定了一组相同的结构类接口来实现动态交流。通信协议引入构件技术设计，可提供代码的可重用性，使程序开发周期缩短，分工更加明细，使整个协议体系具备了更好的可配置性、高效性、可重用性、可扩展性和可表达性。从而解决了网络通信中存在的四个基本问题：基本的构件互操作性、协议版本升级、实现语言无关性、透明的跨进程互操作性。

软件构件技术是建立在面向对象技术之上的，它提供了比面向对象技术更为高级的抽象，通常是对一组类进行封装，通过固定的接口来调用该构件所提供的方法。构件技术成为了嵌入式操作系统和嵌入式应用软件的发展趋势。利用构件技术把单块式的网络协议分割成多个独立的构件，每一个构件都可以被新的构件更新、替换，一组相关的构件提供特定的服务。因此，系统就可以通过选择相应的网络协议构件进行组装来通信。

3通信协议构件化

随着嵌入式系统与网络的日益结合，在嵌入式实时操作系统中引入TCP/IP 协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。但是传统的TCP/IP 协议实现存在实时性能较差，不能满足实时性要求高的嵌入式领域;传统TCP/IP 的实现过于复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式应用的系统资源往往都很有限;传统的TCP/IP 协议系统是基于单块式体系结构的，即嵌入式实时操作系统中引入的协议是以单块方式设计并加以实现的，随着网络技术的不断发展，以及一些新应用不断增长和变化的要求，这种通用的单块式结构的协议往往不能满足需求。因此，需要把传统TCP/IP 在不违背协议标准的前提下加以改进实现，使其实时性得到提高，占用的存储空间尽可能少，从而满足嵌入式应用的要求。

Linux 可针对用户的需求，动态载入和卸载操作系统构件，这种模块化机制为通信协议构件化提供了前提条件。用户可以根据需要，在不对内核重新编泽的情况下，能将模块动态地载入内核或从内核移出，内核可以仅实现一些基本功能，系统的可扩展性功能就留给模块来完成，从而使内核的大小和通讯量都达到最小。因此，在Linux 中实现协议构件化可以依赖模块化机制，协议构件由Linux 模块来实现，模块能动态地载入内核或从内核移出，而不需要对内核重新编译。

本文针对嵌入式服务器的网络实时通信的应用，以经过实时改进和裁剪的Linux 操作系统作为协议构件化的平台，对的TCP/IP 协议栈进行构件化。

1 通信协议构件化原理

2 通信协议分解

为了使协议构件具备动态链接、信息封装、统一接口等特性，首先要合理分解通信协议，这关系到通信协议构件的粒度。从粒度上来看，构件的粒度越小，协议划分越细，协议构件越多;构件粒度越大，协议划分越粗，协议构件越少。

协议构件粒度的大小，决定了协议构件模块化、信息封装性、局部化的程度，为此必须保证协议构件的独立性。一旦构件具备良好的独立性，建立在协议构件之上的应用程序构件就更容易开发，接口也会简化;独立的模块也比较容易测试与维护，修改工作量小，错误传播范围小。如果粒度过小，虽然协议构件独立性增强，但是构件的接口就增加了，给构件的组合、构件的管理带来了很多的困难。如果粒度过大，构件的尺度增加，独立性降低，各个构件之间的关联度也会增加，不利于构件的动态替换与更新。

粒度的大小可以用两个定性标准来衡量，分别是内聚和耦合。耦合衡量不同构件彼此之间相互依赖的紧密程度;内聚衡量一个协议构件内部各个元素彼此结合的紧密程度。在对协议进行构件化的时候，采取的策略应当尽量使协议构件之间的耦合度降低，独立性增强，加强内聚性。

目前对构件的粒度还没有统一的要求，由于构件是一个高内聚的软件包，只要符合高内聚的原则，则构件的粒度大小可不限。

3.1.2 通信协议构件化方法

由上节可知，通信协议分解没有统一的要求，所以，可以从多个角度对通信协议进行构件化。例如，按构件的功能可进行基本协议构件、通用协议构件、对各领域的专用协议构件或子系统协议构件化;按构件的使用方式可进行静态的和动态的构件化;按构件的结构可进行原子构件及由多个构件*的组合构件化;按协议栈的分层结构可进行层次构件化。本文以Linux 下的TCP/IP 协议层次结构（如图1 所示）为基础，按层次构件化。即将ARP、IP、ICMP、UDP、TCP 协议从Linux 内核中分离出来，按每个协议完成的功能划分成不同的模块，每个模块作为一个构件。每个构件用一个指针函数实现，这样，一个基于嵌入式Linux 的应用系统在内核启动时可按需求动态组装协议功能，形成不同配置通信协议栈，显示了系统网络通信的灵活性。

考虑到TCP 协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议，为保证远程客户端与本地嵌入式系统服务器的正确通信，采取了相应机制来保证它的可靠性和实时性，即连接的建立与关闭、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制等。因此，将TCP 协议按应用功能划分成客户端模块和服务器端模块，前者主动建立连接，后者*连接，连接建立后双方进行数据信息的发送或接收。

相对于TCP 协议，ARP、IP、ICMP、UDP 等协议功能较简单，对它们不划分模块，每个协议按其完成的功能设计成一个构件，但考虑到嵌入式系统的实时性，去掉了不必要的功能。UDP 协议设计时不考虑数据校验方法，只考虑数据的发送和接收功能。ICMP 协议设计时仅考虑了目的端不可达、源端抑制、超时、改变路由等差错和回送请求处理。IP 协议设计时主要进行路由、向相邻协议层传递数据包，而不考虑分片、重装功能。ARP 协议主要负责将局域网中的32 位IP 地址转换为对应的网卡的MAC 地址，它的功能包括发送ARP 请求和响应对方的ARP 请求，动态维护一个ARP 高速缓存。

3.1.3 通信协议构件组装

通信协议构件组装过程如图2 所示。通信协议构件放在构件库中，系统运行时，嵌入式Linux 操作系统调度协议组装模块，由该模块依据系统网络功能需求从构件库中取出相应构件，动态配置通信协议栈。

因此，组装的主要功能是负责实现嵌入式Linux 操作系统和构件库的交互、监控构件的运行状况，并记录构件的特征以反馈给构件库。

3.2 通信协议构件化的实现

本文借鉴文献的思想，并结合上面提出的方法来实现通信协议构件化。各协议的实现类似，下面以TCP 协议为例说明实现过程。

将协议栈初始化文件中为协议分配内核存储空间、向内核保存TCP 协议栈的链表结构、注册、协议本身初始化的内容移入其模块中，在模块开始部分完成分配存储空间、注册、初始化等，在模块结束部分完成释放模块所占内核空间、取消注册、进行重置等。

修改协议实现文件tcp.c 和tcp.h ，创建新的模块文件，协议实现文件中仅保留被其它协议使用的变量，其它内容放在新建的模块文件中。

协议提供给其它协议的函数接口，由函数名调用改为函数指针调用，修改头文件，为该新的接口实现添加定义及声明，并将函数指针初始化指向一个空函数体。将其它协议中原来通过函数名调用改为相应的函数指针调用，这些函数指针是该协议构件的接口，可以保持不变，而接口提供的功能可以依据需要随时修改。

修改网络部分的内核符号表文件，既包括修改之后为其它协议提供的接口，又包括模块化之后需要的其它协议提供的接口。

修改Makeflie 文件，增加相应的模块化文件列表。

4 通信协议测试

构件化的协议的运行情况在MagicARM2200 目标板上进行测试，测试前需要配置软硬件环境，配置过程如下：用串口线和简易仿真器连接PC 机和目标板，使用两条独立的网线分别将它们连接到以太网;在PC 机上安装虚拟机5.5 和Red Hat Linux 9 ，将经过实时改进和裁剪的Linux 移植到该目标板。

4.1 测试ARP 协议构件

在内核无ARP 协议支持时，为了显示ARP 缓存中的MAC、IP 地址信息，运行arp -a 命令，结果为空，并且其它网络应用都不能工作，整个系统的网络部分由于该底层协议的失效而瘫痪。将ARP 协议构件用insmod 命令装入后，网络部分恢复正常。

4.2 测试ICMP 协议构件

在内核不加载ICMP 协议构件时，从外界ping 主机，ping 命令显示超时，即ping 不通。内核接收及处理传来的ICMP 数据包的函数接口找不到相应的功能实现，不能正常返回确认消息包。在将ICMP 协议构件用insmod 命令装入后，处理数据包的函数正确执行，显示能够ping 通。响应时间如表1 所示。

从表1 可以看出，当ICMP 协议作为模块被加载后，ping 命令的响应时间比该协议编译进内核的长，增长的幅度为（0.668-0.611）/0.611=0.093 ，性能下降不超过1%。而且，从内核启动速度来看，构件化ICMP 协议的结果，由于构件化的内核在网络部分启动过程中没有初始化ICMP 协议部分，启动速度略有提高。

4.3 测试UDP 协议构件

为了便于观察系统性能的变化，本文采用Linux 网络性能测试软件Netperf 对UDP 协议构件进行测试，主要测试UDP 的批量数据传输性能、请求和响应性能。测试结果如表2 所示。

从表2 可以看出，协议构件化之后的网络性能有损失，其数据传输性能的下降幅度为（l55.2-140.3）/155.2=0.096 ，请求/响应性能的下降幅度为（620.1-*.9）/620.1=0.025 ，它们都低于一个数量级。

4.4 测试TCP 协议构件

在目标板和PC 机之间进行测试，PC 机作为客户端，目标板作为服务器，并编写客户端和服务器测试程序。在内核不加载TCP 协议构件时，运行客户端程序，PC 机提示不能和服务器连接;加载TCP 协议构件后，再次运行客户端程序，观察PC 机，显示连接成功，在目标板上键入字符，在PC 机上可以显示接收到的字符。

从上面的测试结果可知，对Linux 下的TCP/IP 构件化后，尽管系统性能会略有损失，但损失不大，用此较小的代价可以换取升级、维护的成本大大降低、新协议开发时间大大缩短，从而说明构件化协议的可行性和优越性，在实际应用中可以认为是一种有效的方法。

5 结论

本文针对嵌入式服务器的网络实时通信的应用，将构件技术引入Linux 的TCP/IP 协议设计中，提出了一种构件化TCP/IP 协议栈中主要协议的方法，并对构件化的协议进行测试，结果表明构件化的协议可以动态载入实时改进和裁剪的Linux 系统，不仅减少了嵌入式Linux 内核的尺寸，而且增强了系统网络通信协议设计的灵活性。