嵌入式系統動態模組載入技術：兩級重定位表、調用庫與 DeltaOS 實作

嵌入式系統動態載入技術動機

傳統嵌入式開發需將應用與核心靜態連結成單一映像檔，修改需重新編譯燒錄，週期長。動態模組載入技術讓系統運行時載入/更新模組，提升彈性與開發效率。

1. 載入與動態連結機制比較

2. 嵌入式動態載入特殊考量

• 交叉載入：宿主機端處理重定位/解析，目標機端僅配置記憶體/地址映射。
• 無 MMU 系統：需 Overlap 技術解決位址衝突（凍結非活躍應用騰出空間）。
• 有 MMU 系統：各應用獨立虛擬位址空間，載入器工作簡化（VxWorks 6, WinCE 採用）。

3. 核心設計：模組宣告、調用庫、兩級重定位表

關鍵術語定義

• 模組：載入單位，提供服務介面。
• 目標程式：模組使用者（應用或另一模組）。
• 介面函數地址表：模組匯出函數地址陣列（二級重定位表）。
• 調用庫：目標程式連結的專用存根，含重定位表基址指標與動態查找程式碼。

模組宣告檔案

# module.decl
name=NetworkStack
version=1.2
exports=net_init, net_send, net_recv, net_close

建構腳本依宣告產生：調用庫（給呼叫端）與附加庫（連結進模組，含介面表與註冊函數）。

模組初始化與註冊

// 模組內部附加庫程式碼
void module_init() {
    register_module("NetworkStack", &interface_table); // 向載入器註冊
}

調用庫機制

// 呼叫端連結的調用庫 (NetworkStack_stub.c)
static void* module_base = NULL; // 二級重定位表基址

void lib_init() {
    module_base = sys_get_module_table("NetworkStack"); // 系統呼叫取得基址
}

void net_send(void* buf, int len) {
    typedef void(*func_t)(void*, int);
    ((func_t)(module_base + 1*4))(buf, len); // 索引 1 對應 net_send
}

地址計算公式：函數實際地址 = 模組重定位表基址 + 函數索引 × 4（32位元系統）。

兩級重定位表架構

• 一級表（載入器管理）：模組名 → 二級表基址 映射，動態可變。
• 二級表（模組內部）：固定順序的函數地址陣列，**相對位置不可變**（向後相容）。

// 一級表結構
struct Level1Entry { char* name; void* level2_base; };
Level1Entry level1_table[MAX_MODULES];

// 二級表結構 (模組內)
void* level2_table[] = {
    net_init_addr,   // index 0
    net_send_addr,   // index 1
    net_recv_addr,   // index 2
    net_close_addr   // index 3
};

4. 動態載入工作流程

1. 目標程式首次呼叫模組函數 → 觸發調用庫 lib_init()。
2. lib_init() 透過系統呼叫請求載入器載入模組（若未載入）。
3. 載入器配置記憶體、載入模組映像、執行模組 module_init() 註冊二級表。
4. 載入器更新一級表映射，回傳二級表基址給調用庫。
5. 調用庫初始化 module_base，後續呼叫直接透過索引計算跳轉。

5. DeltaOS LambdaLoader 實作要點

• 基於支援 MMU 的 32 位元架構（ARM9/ARM11/Cortex-A）。
• 宿主機端：ELF 解析、重定位計算、產生載入映像。
• 目標端：最小化載入器（<10KB），專注記憶體配置與表格管理。
• 支援模組版本檢查、相依性解析、載入失敗回滾。
• 高可靠版本 (HAR) 通過航空電子標準 (DO-178C) 驗證。

6. 設計規則總結

1. 模組僅透過二級表匯出介面。
2. 目標程式**必須**透過調用庫存取模組。
3. 首次使用前必須透過系統呼叫初始化調用庫基址。
4. 二級表索引順序凍結，新增函數只能附加在尾部。
5. 模組替換時保持介面相容，載入器自動更新一級表。

7. 優缺點評估