uClinux和Linux的差異

uClinux是針對控制領域的嵌入式linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。適合不具備內存管理單元(MMU)的微處理器/微控制器。沒有MMU支持是uClinux與主流Linux的基本差異。

　　標準Linux是針對有MMU的處理器設計的。在這種處理器上，虛擬地址被送到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-物理地址轉換映射，支持不同任務之間的保護。

　　對uCLinux 來說，其設計針對沒有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內存管理技術。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。uCLinux系統(tǒng)對于內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。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。

　　同時，uClinux有著特別小的內核和用戶軟件空間。熟悉主流Linux的開發(fā)者會注意到在 uClinux下工作的微小差異，但同樣也可以很快熟悉uclinux的一些特性。對于設計內核或系統(tǒng)空間的應用程序的開發(fā)者，要特別注意uClinux 既沒有內存保護，也沒有虛擬內存模型，另外，有些內核系統(tǒng)調用也有差異。

　　1.1 內存保護

　　沒有內存保護(Memory Protection)的操作會導致這樣的結果：即使由無特權的進程來調用一個無效指針，也會觸發(fā)一個地址錯誤，并潛在地引起程序崩潰，甚至導致系統(tǒng)的掛起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運行的代碼必須仔細編程，并深入測試來確保健壯性和安全。

　　對于普通的Linux來說，需要運行不同的用戶程序，如果沒有內存保護將大大降低系統(tǒng)的安全性和可*性;然而對于嵌入式uClinux系統(tǒng)而言，由于所運行的程序往往是在出廠前已經(jīng)固化的，不存在危害系統(tǒng)安全的程序侵入的隱患，因此只要應用程序經(jīng)過較完整的測試，出現(xiàn)問題的概率就可以控制在有限的范圍內。

　　1.2 虛擬內存

　　沒有虛擬內存(Virtual Memory)主要導致下面幾個后果：

　　首先，由內核所加載的進程必須能夠獨立運行，與它們在內存中的位置無關。實現(xiàn)這一目標的第一種辦法是一旦程序被加載到RAM中，那么程序的基準地址就“固定”下來;另一種辦法是產生只使用相對尋址的代碼(稱為“位置無關代碼”，Position Independent Code，簡稱PIC)。uClinux對這兩種模式都支持。

　　其次，要解決在扁平(flat)的內存模型中的內存分配和釋放問題。非常動態(tài)的內存分配會造成內存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)內存分配的那些應用程序來說，增強健壯性的一種辦法是用預分配緩沖區(qū)池(Preallocated buffer pool)的辦法來取代malloc()調用。

　　由于uclinux中不使用虛擬內存，進出內存的頁面交換也沒有實現(xiàn)，因為不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。在普通計算機上，操作系統(tǒng)允許應用程序使用比物理內存(RAM)更大的內存空間，這往往是通過在硬盤上設立交換分區(qū)來實現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用FLASH存儲器來代替硬盤，很難高效地實現(xiàn)內存頁面交換的存取，因此，對運行的應用程序都限制其可分配空間不大于系統(tǒng)的RAM空間。

　　最后，uClinux目標板處理器缺乏內存管理的硬件單元，使得Linux的系統(tǒng)接口需要作些改變。有可能最大的不同就是沒有fork()和brk()系統(tǒng)調用。調用fork()將復制出進程來創(chuàng)建一個子進程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁面來實現(xiàn)的。由于沒有MMU， uclinux不能完整、可*地復制一個進程，也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，uClinux實現(xiàn)了vfork()，當父進程調用vfork()來創(chuàng)建子進程時，兩個進程共享它們的全部內存空間，包括堆棧。子進程要么代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep)直到子進程調用exitI()退出，要么調用exec()執(zhí)行一個新的進程，這個時候將產生可執(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。

　　注意，多任務并沒有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網(wǎng)絡后臺程序(daemon)的確是需要修改的。由于子進程運行在和父進程同樣的地址空間內，在一些情況下，也需要修改兩個進程的行為。

　　很多現(xiàn)代的程序依賴子進程來執(zhí)行基本任務，使得即時在進程負載很重時，系統(tǒng)仍可以保持一種“可交互”的狀態(tài)，這些程序可能需要實質上的修改來在uClinux下完成同樣的任務。如果一個關鍵的應用程序非常依賴這樣的結構，那就不得不對它重新編寫了。

　　假設有一個簡單的網(wǎng)絡后臺程序(daemon)，大量使用了fork()。這個daemon總監(jiān)聽一個知名端口(或套接字)等待網(wǎng)絡客戶端來連接。當客戶端連接時，這個daemon給它一個新的連接信息(新的socket編號)，并調用fork()。子進程接下來就會和客戶端在新的socket上進行連接，而父進程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。

　　uClinux 既沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap() 命令來分配內存。為了方便，在uclinux的C語言庫中所實現(xiàn)的malloc()實質上就是一個mmap()。在編譯時，可以指定程序的堆棧大小。