關(guān)于uclinux系統(tǒng)分析

簡介

Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與Unix系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領域。而更大的影響在于它正逐漸的應用于嵌入式設備。uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uClinux這個英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以uClinux就是Micro-CONtrol-Linux，字面上的理解就是針對微控制領域而設計的Linux系統(tǒng)。

uClinux小型化的做法

標準Linux可能采用的小型化方法：

1、重新編譯內(nèi)核

Linux內(nèi)核采用模塊化的設計，即很多功能塊可以獨立的加上或卸下，開發(fā)人員在設計內(nèi)核時把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時指定。因此一種較通用的做法是對Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時仔細的選擇嵌入式設備所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能。通過對內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量。

2、制作root文件系統(tǒng)映象

Linux系統(tǒng)在啟動時必須加載根(root)文件系統(tǒng)，因此剪裁系統(tǒng)同時包括root file system的剪裁。在x86系統(tǒng)下，Linux可以在Dos下，使用Loadlin文件加載啟動。

uClinux采用的小型化方法：

1、uClinux的內(nèi)核加載方式

uClinux的內(nèi)核有兩種可選的運行方式：可以在flash上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。這種做法可以減少內(nèi)存需要。

Flash運行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映象燒寫到flash上，系統(tǒng)啟動時從flash的某個地址開始逐句執(zhí)行。這種方法實際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。

內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行，這種方式相對復雜一些，但是運行速度可能更快(ram的存取速率要比flash高)。同時這也是標準Linux系統(tǒng)采用的啟動方式。

2、uClinux的根(root)文件系統(tǒng)

uClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。空間的節(jié)約來自于兩個方面，首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，其次romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級塊(superblock)需要更少的存儲空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進行處理(ram盤將采用ext2文件系統(tǒng))。

3、uClinux的應用程序庫

uClinux小型化的另一個做法是重寫了應用程序庫，相對于越來越大且越來越全的glibc庫，uClibc對libc做了精簡。

uClinux對用戶程序采用靜態(tài)連接的形式，這種做法會使應用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問題，不得不這樣做(這將在下文對uClinux內(nèi)存管理展開分析時進行說明)，同時這種做法也更接近于通常嵌入式系統(tǒng)的做法。

uClinux的開發(fā)環(huán)境

GNU開發(fā)套件

Gnu開發(fā)套件作為通用的Linux開放套件，包括一系列的開發(fā)調(diào)試工具。主要組件：

Gcc： 編譯器，可以做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)編譯目標上可運行的二進制文件。

Binutils：一些輔助工具，包括 objdump(可以反編譯二進制文件)，as(匯編編譯器)，ld(連接器)等等。

Gdb：調(diào)試器，可使用多種交叉調(diào)試方式，gdb-bdm (背景調(diào)試工具)，gdbserver(使用以太網(wǎng)絡調(diào)試)。

uClinux的打印終端

通常情況下，uClinux的默認終端是串口，內(nèi)核在啟動時所有的信息都打印到串口終端(使用printk函數(shù)打印)，同時也可以通過串口終端與系統(tǒng)交互?！　Clinux在啟動時啟動了telnetd(遠程登錄服務)，操作者可以遠程登錄上系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)的運行。至于是否允許遠程登錄可以通過燒寫romfs文件系統(tǒng)時有用戶決定是否啟動遠程登錄服務。

交叉編譯調(diào)試工具

支持一種新的處理器，必須具備一些編譯，匯編工具，使用這些工具可以形成可運行于這種處理器的二進制文件。對于內(nèi)核使用的編譯工具同應用程序使用的有所不同。在解釋不同點之前，需要對gcc連接做一些說明：

.ld(link description)文件：ld文件是指出連接時內(nèi)存映象格式的文件。

crt0.S：應用程序編譯連接時需要的啟動文件，主要是初始化應用程序棧。

pic：position independence code ，與位置無關(guān)的二進制格式文件，在程序段中必須包括reloc段，從而使的代碼加載時可以進行重新定位。

內(nèi)核編譯連接時，使用ucsimm.ld文件，形成可執(zhí)行文件映象，所形成的代碼段既可以使用間接尋址方式(即使用reloc段進行尋址)，也可以使用絕對尋址方式。這樣可以給編譯器更多的優(yōu)化空間。因為內(nèi)核可能使用絕對尋址，所以內(nèi)核加載到的內(nèi)存地址空間必須與ld文件中給定的內(nèi)存空間完全相同。

應用程序的連接與內(nèi)核連接方式不同。應用程序由內(nèi)核加載(可執(zhí)行文件加載器將在后面討論)，由于應用程序的ld文件給出的內(nèi)存空間與應用程序?qū)嶋H被加載的內(nèi)存位置可能不同，這樣在應用程序加載的過程中需要一個重新地位的過程，即對reloc段進行修正，使得程序進行間接尋址時不至于出錯。(這個問題在i386等高級處理器上方法有所不同，本文將在后面進一步分析)。

由上述討論，至少需要兩套編譯連接工具。在討論過uClinux的內(nèi)存管理后本文將給出整個系統(tǒng)的工作流程以及系統(tǒng)在flash和ram中的空間分布。

可執(zhí)行文件格式

先對一些名詞作一些說明：

coff(common object file format)：一種通用的對象文件格式

elf(excutive linked file)：一種為Linux系統(tǒng)所采用的通用文件格式，支持動態(tài)連接

flat：elf格式有很大的文件頭，flat文件對文件頭和一些段信息做了簡化

uClinux系統(tǒng)使用flat可執(zhí)行文件格式，gcc的編譯器不能直接形成這種文件格式，但是可以形成coff或elf格式的可執(zhí)行文件，這兩種文件需要coff2flt或elf2flt工具進行格式轉(zhuǎn)化，形成flat文件。

當用戶執(zhí)行一個應用時，內(nèi)核的執(zhí)行文件加載器將對flat文件進行進一步處理，主要是對reloc段進行修正(可執(zhí)行文件加載器的詳見fs/binfmt_flat.c)。以下對reloc段進一步討論。

需要reloc段的根本原因是，程序在連接時連接器所假定的程序運行空間與實際程序加載到的內(nèi)存空間不同。假如有這樣一條指令： jsr app_STart;

這一條指令采用直接尋址，跳轉(zhuǎn)到app_start地址處執(zhí)行，連接程序?qū)⒃诰幾g完成是計算出app_start的實際地址(設若實際地址為0x10000)，這個實際地址是根據(jù)ld文件計算出來(因為連接器假定該程序?qū)⒈患虞d到由ld文件指明的內(nèi)存空間)。但實際上由于內(nèi)存分配的關(guān)系，操作系統(tǒng)在加載時無法保證程序?qū)磍d文件加載。這時如果程序仍然跳轉(zhuǎn)到絕對地址0x10000處執(zhí)行，通常情況這是不正確的。一個解決辦法是增加一個存儲空間，用于存儲app_start的實際地址，設若使用變量addr表示這個存儲空間。則以上這句程序?qū)⒏臑椋?/p>

movl addr, a0;

jsr (a0);

增加的變量addr將在數(shù)據(jù)段中占用一個4字節(jié)的空間，連接器將app_start的絕對地址存儲到該變量。在可執(zhí)行文件加載時，可執(zhí)行文件加載器根據(jù)程序?qū)⒁虞d的內(nèi)存空間計算出app_start在內(nèi)存中的實際位置，寫入addr變量。系統(tǒng)在實際處理是不需要知道這個變量的確切存儲位置(也不可能知道)，系統(tǒng)只要對整個reloc段進行處理就可以了(reloc段有標識，系統(tǒng)可以讀出來)。處理很簡單只需要對reloc段中存儲的值統(tǒng)一加上一個偏置(如果加載的空間比預想的要靠前，實際上是減去一個偏移量)。偏置由實際的物理地址起始值同ld文件指定的地址起始值相減計算出。

這種reloc的方式部分是由uClinux的內(nèi)存分配問題引起的，這一點將在uClinux內(nèi)存管理分析時說明。

針對實時性的解決方案

uClinux本身并沒有關(guān)注實時問題，它并不是為了Linux的實時性而提出的。另外有一種Linux--Rt-linux關(guān)注實時問題。Rt-linux執(zhí)行管理器把普通 Linux 的內(nèi)核當成一個任務運行，同時還管理了實時進程。而非實時進程則交給普通Linux內(nèi)核處理。這種方法已經(jīng)應用于很多的操作系統(tǒng)用于增強操作系統(tǒng)的實時性，包括一些商用版UNIX系統(tǒng)，Windows NT等等。這種方法優(yōu)點之一是實現(xiàn)簡單，且實時性能容易檢驗。優(yōu)點之二是由于非實時進程運行于標準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)點之三是可以支持硬實時時鐘的應用。uClinux可以使用Rt-linux的patch，從而增強uClinux的實時性，使得uClinux可以應用于工業(yè)控制、進程控制等一些實時要求較高的應用。

uClinux的內(nèi)存管理

應該說uClinux同標準Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，同時也由于uClinux的內(nèi)存管理引發(fā)了一些標準Linux所不會出現(xiàn)的問題。本文將把uClinux內(nèi)存管理同標準Linux的那內(nèi)存管理部分進行比較分析。

1、標準Linux使用的虛擬存儲器技術(shù)

標準Linux使用虛擬存儲器技術(shù)，這種技術(shù)用于提供比計算機系統(tǒng)中實際使用的物理內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。使用者將感覺到好像程序可以使用非常大的內(nèi)存空間，從而使得編程人員在寫程序時不用考慮計算機中的物理內(nèi)存的實際容量。

為了支持虛擬存儲管理器的管理，Linux系統(tǒng)采用分頁(paging)的方式來載入進程。所謂分頁既是把實際的存儲器分割為相同大小的段，例如每個段1024個字節(jié)，這樣1024個字節(jié)大小的段便稱為一個頁面(page)。

虛擬存儲器由存儲器管理機制及一個大容量的快速硬盤存儲器支持。它的實現(xiàn)基于局部性原理，當一個程序在運行之前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，而是僅將那些當前要運行的那些部分頁面或段裝入內(nèi)存運行(copy-on-write)，其余暫時留在硬盤上程序運行時如果它所要訪問的頁(段)已存在，則程序繼續(xù)運行，如果發(fā)現(xiàn)不存在的頁(段)，操作系統(tǒng)將產(chǎn)生一個頁錯誤(pagefault)，這個錯誤導致操作系統(tǒng)把需要運行的部分加載到內(nèi)存中。必要時操作系統(tǒng)還可以把不需要的內(nèi)存頁(段)交換到磁盤上。利用這樣的方式管理存儲器，便可把一個進程所需要用到的存儲器以化整為零的方式，視需求分批載入，而核心程序則憑借屬于每個頁面的頁碼來完成尋址各個存儲器區(qū)段的工作。

標準Linux是針對有內(nèi)存管理單元的處理器設計的。在這種處理器上，虛擬地址被送到內(nèi)存管理單元(MMU)，把虛擬地址映射為物理地址。

通過賦予每個任務不同的虛擬--物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務之間的保護。地址轉(zhuǎn)換函數(shù)在每一個任務中定義，在一個任務中的虛擬地址空間映射到物理內(nèi)存的一個部分，而另一個任務的虛擬地址空間映射到物理存儲器中的另外區(qū)域。計算機的存儲管理單元(MMU)一般有一組寄存器來標識當前運行的進程的轉(zhuǎn)換表。在當前進程將CPU放棄給另一個進程時(一次上下文切換)，內(nèi)核通過指向新進程地址轉(zhuǎn)換表的指針加載這些寄存器。MMU寄存器是有特權(quán)的，只能在內(nèi)核態(tài)才能訪問。這就保證了一個進程只能訪問自己用戶空間內(nèi)的地址，而不會訪問和修改其它進程的空間。當可執(zhí)行文件被加載時，加載器根據(jù)缺省的ld文件，把程序加載到虛擬內(nèi)存的一個空間，因為這個原因?qū)嶋H上很多程序的虛擬地址空間是相同的，但是由于轉(zhuǎn)換函數(shù)不同，所以實際所處的內(nèi)存區(qū)域也不同。而對于多進程管理當處理器進行進程切換并執(zhí)行一個新任務時，一個重要部分就是為新任務切換任務轉(zhuǎn)換表。我們可以看到Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理至少實現(xiàn)了以下功能：

運行比內(nèi)存還要大的程序。理想情況下應該可以運行任意大小的程序：

可以運行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動的時間

可以使多個程序同時駐留在內(nèi)存中提高CPU的利用率

可以運行重定位程序。即程序可以方于內(nèi)存中的任何一處，而且可以在執(zhí)行過程中移動。

寫機器無關(guān)的代碼。程序不必事先約定機器的配置情況。

減輕程序員分配和管理內(nèi)存資源的負擔。

可以進行共享--例如，如果兩個進程運行同一個程序，它們應該可以共享程序代碼的同一個副本。

提供內(nèi)存保護，進程不能以非授權(quán)方式訪問或修改頁面，內(nèi)核保護單個進程的數(shù)據(jù)和代碼以防止其它進程修改它們。否則，用戶程序可能會偶然(或惡意)的破壞內(nèi)核或其它用戶程序。

虛存系統(tǒng)并不是沒有代價的。 內(nèi)存管理需要地址轉(zhuǎn)換表和其他一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，留給程序的內(nèi)存減少了。地址轉(zhuǎn)換增加了每一條指令的執(zhí)行時間，而對于有額外內(nèi)存操作的指令會更嚴重。當進程訪問不在內(nèi)存的頁面時，系統(tǒng)發(fā)生失效。系統(tǒng)處理該失效，并將頁面加載到內(nèi)存中，這需要極耗時間的磁盤I/O操作。總之內(nèi)存管理活動占用了相當一部分cpu時間(在較忙的系統(tǒng)中大約占10%)。

2、uClinux針對NOMMU的特殊處理

對于uClinux來說，其設計針對沒有MMU的處理器，即uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)(應該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設備中相當普偏)。uClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上uClinux采用實存儲器管理策略(real memeory management)。這一點影響了系統(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際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(這實際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點)，各個進程實際上共享一個運行空間(沒有獨立的地址轉(zhuǎn)換表)。

一個進程在執(zhí)行前， 系統(tǒng)必須為進程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間中。與之相對應的是標準Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時沒有必要保證實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。另外一個方面程序加載地址與預期(ld文件中指出的)通常都不相同，這樣relocation過程就是必須的。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)存進行分頁，并且標記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運行應用時使用這些分頁內(nèi)存。

由于應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)應用程序時必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應用程序需要運行空間的大小。另外由于采用實存儲器管理策略，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\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)對多進程的管理將有很大的變化，這一點將在uClinux的多進程管理中說明。

雖然uClinux的內(nèi)存管理與標準Linux系統(tǒng)相比功能相差很多，但應該說這是嵌入式設備的選擇。在嵌入式設備中，由于成本等敏感因素的影響，普偏的采用不帶有MMU的處理器，這決定了系統(tǒng)沒有足夠的硬件支持實現(xiàn)虛擬存儲管理技術(shù)。從嵌入式設備實現(xiàn)的功能來看，嵌入式設備通常在某一特定的環(huán)境下運行，只要實現(xiàn)特定的功能，其功能相對簡單，內(nèi)存管理的要求完全可以由開發(fā)人員考慮。

3、標準Linux系統(tǒng)的進程、線程

進程：進程是一個運行程序并為其提供執(zhí)行環(huán)境的實體，它包括一個地址空間和至少一個控制點，進程在這個地址空間上執(zhí)行單一指令序列。進程地址空間包括可以訪問或引用的內(nèi)存單元的集合，進程控制點通過一個一般稱為程序計數(shù)器(program counter,PC)的硬件寄存器控制和跟蹤進程指令序列。

fork：由于進程為執(zhí)行程序的環(huán)境，因此在執(zhí)行程序前必須先建立這個能跑程序的環(huán)境。Linux系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用拷貝現(xiàn)行進程的內(nèi)容，以產(chǎn)生新的進程，調(diào)用fork的進程稱為父進程;而所產(chǎn)生的新進程則稱為子進程。子進程會承襲父進程的一切特性，但是它有自己的數(shù)據(jù)段，也就是說，盡管子進程改變了所屬的變量，卻不會影響到父進程的變量值。

父進程和子進程共享一個程序段，但是各自擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)段、用戶空間以及進程控制塊。換言之，兩個進程執(zhí)行的程序代碼是一樣的，但是各有各的程序計數(shù)器與自己的私人數(shù)據(jù)。

當內(nèi)核收到fork請求時，它會先查核三件事：首先檢查存儲器是不是足夠;其次是進程表是否仍有空缺;最后則是看看用戶是否建立了太多的子進程。如果上述說三個條件滿足，那么操作系統(tǒng)會給子進程一個進程識別碼，并且設定cpu時間，接著設定與父進程共享的段，同時將父進程的inode拷貝一份給子進程運用，最終子進程會返回數(shù)值0以表示它是子進程，至于父進程，它可能等待子進程的執(zhí)行結(jié)束，或與子進程各做個的。

exec系統(tǒng)調(diào)用：該系統(tǒng)調(diào)用提供一個進程去執(zhí)行另一個進程的能力，exec系統(tǒng)調(diào)用是采用覆蓋舊有進程存儲器內(nèi)容的方式，所以原來程序的堆棧、數(shù)據(jù)段與程序段都會被修改，只有用戶區(qū)維持不變。

vfork系統(tǒng)調(diào)用：由于在使用fork時，內(nèi)核會將父進程拷貝一份給子進程，但是這樣的做法相當浪費時間，因為大多數(shù)的情形都是程序在調(diào)用fork后就立即調(diào)用exec，這樣剛拷貝來的進程區(qū)域又立即被新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。因此Linux系統(tǒng)提供一個系統(tǒng)調(diào)用vfork，vfork假定系統(tǒng)在調(diào)用完成vfork后會馬上執(zhí)行exec，因此vfork不拷貝父進程的頁面，只是初始化私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與準備足夠的分頁表。這樣實際在vfork調(diào)用完成后父子進程事實上共享同一塊存儲器(在子進程調(diào)用exec或是exit之前)，因此子進程可以更改父進程的數(shù)據(jù)及堆棧信息，因此vfork系統(tǒng)調(diào)用完成后，父進程進入睡眠，直到子進程執(zhí)行exec。當子進程執(zhí)行exec時，由于exec要使用被執(zhí)行程序的數(shù)據(jù)，代碼覆蓋子進程的存儲區(qū)域，這樣將產(chǎn)生寫保護錯誤(do_wp_page)(這個時候子進程寫的實際上是父進程的存儲區(qū)域)，這個錯誤導致內(nèi)核為子進程重新分配存儲空間。當子進程正確開始執(zhí)行后，將喚醒父進程，使得父進程繼續(xù)往后執(zhí)行。

4、uClinux的多進程處理

uClinux沒有mmu管理存儲器，在實現(xiàn)多個進程時(fork調(diào)用生成子進程)需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護。

uClinux的fork和vfork：uClinux的fork等于vfork。實際上uClinux的多進程管理通過vfork來實現(xiàn)。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完程后，要么子進程代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep)直到子進程調(diào)用exit退出，要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進程，這個時候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不能避免。當子進程執(zhí)行exit或exec后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。

uClinux的這種多進程實現(xiàn)機制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對nommu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，啟動新的應用程序時系統(tǒng)必須為應用程序分配存儲空間，并立即把應用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機制，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。