嵌入式uClinux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境

1 引言

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，而且在同一個硬件平臺上可以嵌入不同的嵌入式操作系統(tǒng)。比如ARM7TDMI內(nèi)核，可以嵌入Nucleus、VxWorks、uClinux等操作系統(tǒng)。在此主要對uClinux的進(jìn)行介紹，嵌入式uClinux操作系統(tǒng)主要有三個基本部分組成：引導(dǎo)程序、uClinux內(nèi)核（由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和中斷處理等構(gòu)成）和文件系統(tǒng)。uClinux可以通過定制使內(nèi)核小型化，還可以加上GUI(圖形用戶界面)和定制應(yīng)用程序，并將其放在ROM、RAM、FLASH或Disk On Chip中啟動。由于嵌入式uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核定制高度靈活性，開發(fā)者可以很容易地對其進(jìn)行按需配置，來滿足實(shí)際應(yīng)用需要。又由于uClinux是源代碼公開，因此開發(fā)人員只有了解內(nèi)核原理就可以自己開發(fā)部分軟件，例如增加各類驅(qū)動程序。下面將詳細(xì)分析嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。

2 嵌入式uCinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)

uClinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示：

uClinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)--嵌入式uClinux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境

圖1代表了內(nèi)核的功能結(jié)構(gòu)，與Linux基本相同，不同的只是對內(nèi)存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行改寫，以滿足無MMU處理器的要求。uClinux是Linux 操作系統(tǒng)的一種，是由Linux2.0內(nèi)核發(fā)展來的，是專為沒有MMU的微處理器（如ARM7TDMI、Coldfire 等）設(shè)計的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。另外,由于大多數(shù)內(nèi)核源代碼都被重寫，uClinux的內(nèi)核要比原Linux 2.0內(nèi)核小的多, 但保留了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性，優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)能力以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持。

3 uClinux的內(nèi)存管理

uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理。標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對有MMU的處理器設(shè)計的。在這種處理器上，虛擬地址被送到MMU，MMU把虛擬地址映射為物理地址。通過賦予每個任務(wù)不同的虛擬—物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。對于uCLinux來說，其設(shè)計針對沒有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。

uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)（應(yīng)該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當(dāng)普遍）。

uClinux仍采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁。在加載應(yīng)用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實(shí)際上uClinux采用實(shí)存儲器管理策略(real memeory management)。這一點(diǎn)影響了系統(tǒng)工作的很多方面。

uClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，（它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出），所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)（這實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)），各個進(jìn)程實(shí)際上共享一個運(yùn)行空間（沒有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表）。

一個進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間中。與之相對應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時沒有必要保證實(shí)際物理存儲空間是連續(xù)的，而只要保證虛存地址空間連續(xù)就可以了。此外磁盤交換空間也是無法使用的，系統(tǒng)執(zhí)行時如果缺少內(nèi)存將無法通過磁盤交換來得到改善。

uClinux對內(nèi)存的管理減少同時就給開發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點(diǎn)來說，uClinux的內(nèi)存管理是一種倒退，退回了到了UNIX早期或是Dos系統(tǒng)時代。開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開始，開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少的內(nèi)存（假如你欺騙了系統(tǒng)，那將在后面運(yùn)行程序時受到懲罰），從而系統(tǒng)將在啟動的初始化階段對內(nèi)存進(jìn)行分頁，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運(yùn)行應(yīng)用時使用這些分頁內(nèi)存。

由于應(yīng)用程序加載時必須分配連續(xù)的地址空間，而針對不同硬件平臺的可一次成塊（連續(xù)地址）分配內(nèi)存大小限制是不同（目前針對EZ328處理器的uClinux是128k，而針對Coldfire處理器的系統(tǒng)內(nèi)存則無此限制），所以開發(fā)人員在開發(fā)應(yīng)用程序時必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。另外由于采用實(shí)存儲器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其它用戶程序在一個地址空間，程序開發(fā)時要保證不侵犯其它程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌绦虻倪\(yùn)行異常。

從內(nèi)存的訪問角度來看，開發(fā)人員的權(quán)利增大了（開發(fā)人員在編程時可以訪問任意的地址空間），但與此同時系統(tǒng)的安全性也大為下降。此外，系統(tǒng)對多進(jìn)程的管理將有很大的變化，這一點(diǎn)將在uClinux的多進(jìn)程管理中說明。

4 uClinux的多進(jìn)程處理

uClinux沒有MMU管理存儲器，在實(shí)現(xiàn)多個進(jìn)程時（fork調(diào)用生成子進(jìn)程）需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。由于uClinux的多進(jìn)程管理是通過vfork來實(shí)現(xiàn)，因此fork等于vfork。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，要么子進(jìn)程代替父進(jìn)程執(zhí)行（此時父進(jìn)程已經(jīng)sleep）直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出；要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進(jìn)程，這個時候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個過程也不能避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒，使父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

uClinux的這種多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)機(jī)制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對沒有mmu處理器開發(fā)，所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式，啟動新的應(yīng)用程序時系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲空間，并立即把應(yīng)用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機(jī)制，uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時能夠直接使用物理內(nèi)存。

5 uCLinux針對實(shí)時性的解決方案

uClinux本身并沒有關(guān)注實(shí)時問題，它并不是為了Linux的實(shí)時性而提出的。另外有一種Linux：RT－Linux關(guān)注實(shí)時問題。RT-Linux執(zhí)行管理器把普通Linux的內(nèi)核當(dāng)成一個任務(wù)運(yùn)行，同時還管理了實(shí)時進(jìn)程。而非實(shí)時進(jìn)程則交給普通Linux內(nèi)核處理。這種方法已經(jīng)應(yīng)用于很多的操作系統(tǒng)用于增強(qiáng)操作系統(tǒng)的實(shí)時性，包括一些商用版UNIX系統(tǒng)，Windows NT等等。這種方法優(yōu)點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)簡單，且實(shí)時性能容易檢驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)之二是由于非實(shí)時進(jìn)程運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)，同其它Linux商用版本之間保持了很大的兼容性。優(yōu)點(diǎn)之三是可以支持硬實(shí)時時鐘的應(yīng)用。uClinux可以使用RT-Linux的patch，從而增強(qiáng)uClinux的實(shí)時性，使得uClinux可以應(yīng)用于工業(yè)控制、進(jìn)程控制等一些實(shí)時要求較高的應(yīng)用。