使用 FreeRTOS、LittleFS 和 gcc-arm-none-eabi 在固件中实现插件功能

Question

我目前正在从事一个涉及 Cortex-M 微控制器 (NXP RT1175) 固件开发的项目。我的开发堆栈包括 FreeRTOS、LittleFS 和 gcc-arm-none-eabi 工具链。我希望在此固件中实现“插件”功能，我的客户可以编写自己的算法并独立部署它们。

我面临的主要挑战是设计一个系统，其中这些插件可以动态加载（仅在启动时一次）并由固件执行。插件应该能够与固件提供的现有功能（API 和函数）进行交互。以下是一些具体内容：

• 固件基础：固件当前未编译为位置无关代码（PIC），我正在使用各种框架，例如 FreeRTOS 和 LittleFS。
• 插件要求：这个想法是让客户使用相同的工具链（gcc-arm-none-eabi）单独编译他们的插件。插件需要调用固件中定义的函数，这意味着它们需要知道这些函数的入口点。
• 当前方法：我正在考虑使用文件系统方法（通过 LittleFS），其中固件将在特定目录中查找插件文件并将它们加载到 RAM 中以供执行。插件可以编译为PIC。

我对此设置有一些疑问：

1. 插件文件格式的最佳实践：考虑到当前的工具链和框架，这些插件的合适文件格式是什么？我正在考虑需要加载到不同 RAM 地址的代码和数据内存。
2. 处理函数入口点：由于固件当前未编译为 PIC 并且函数地址可能会随着每次编译而变化，那么让插件了解这些函数入口点的最佳方法是什么？
3. 安全稳定：如何保证系统在加载和执行第三方插件时的安全稳定？

任何指导、建议或类似实现的参考都将不胜感激。

Answer 1

动态加载通常是操作系统的一项功能，而 FreeRTOS 本身并不支持该功能。

VxWorks 是一个可以动态加载和链接对象模块的 RTOS 示例。这些模块是通过“部分链接”生成的，其中生成的对象带有一些未解析的外部符号。在这种情况下，VxWorks 有一个动态加载器，它将加载对象中的外部链接解析为目标上的现有代码。 要实现该目标，需要提供完整的符号表。这不利于占用空间非常小的系统 - 特别是如果您支持链接 C++ 代码。 VxWorks 命令 shell 中使用相同的符号表来运行加载的或静态的代码。本质上，任何具有外部链接的函数都会成为入口点，因此例如在命令 shell 中键入

printf "hello"

完全符合您的预期。您只需要一个命名约定，例如

pluginMain()

。 VxWorks 有一种搜索符号表的方法，您可以使用模式匹配来查找插件。但是我不会推荐任何这些。将链接任意代码加载到核心二进制文件从根本上来说是不安全的。

更安全、更简单、更可靠的解决方案是嵌入脚本语言解释器，例如

Lua

或 MicroPython。我曾经开发过一个产品，我们使用 Forth 启用了最终用户定制（尽管我不太愿意推荐它！）。然后，您可以仅公开您希望最终用户能够使用的接口，而不是在整个代码中有效地让他们自由支配。