mClinux系統(tǒng)特點(diǎn)深入分析

關(guān)鍵詞： mClinux；虛擬內(nèi)存；內(nèi)存保護(hù)；文件系統(tǒng)

前言
近年來，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，mClinux以其優(yōu)異的性能、免費(fèi)開放的代碼等優(yōu)點(diǎn)，獲得眾多嵌入式開發(fā)者的青睞。在標(biāo)準(zhǔn)Linux平臺上，開發(fā)者很容易獲得前人的成果作為參考，編寫更適合自己的程序。
然而，對于很多已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)Linux環(huán)境中工作得很好的程序，并不能直接在mClinux環(huán)境上運(yùn)行。一方面，是由于嵌入式的mClinux所使用的處理器和普通PC不同，指令集、CPU結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致mClinux上運(yùn)行的程序需要專門為該類型處理器交叉編譯產(chǎn)生；另一方面，mClinux是為沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的嵌入式處理器設(shè)計(jì)，并做了較大幅度的精簡。所以，在標(biāo)準(zhǔn)Linux上可以使用的一些函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用在mClinux上有可能就行不通了。
因此，本文將深入探討mClinux特點(diǎn)，分析mClinux上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)Linux程序設(shè)計(jì)存在的區(qū)別，并對mClinux程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

mClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux
mClinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性，適合不具備MMU的微處理器或微控制器。有無MMU是mClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的基本差異。
標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對有MMU的處理器設(shè)計(jì)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(gè)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mClinux來說，其設(shè)計(jì)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)。mClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時(shí)將實(shí)際存儲器分頁，在加載應(yīng)用程序時(shí)分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實(shí)際上mClinux采用實(shí)存儲器管理策略。mClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，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)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)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。
同時(shí)，mClinux有著特別小的內(nèi)核和用戶軟件空間。對于設(shè)計(jì)內(nèi)核或系統(tǒng)空間的應(yīng)用程序的開發(fā)者，要特別注意mClinux既沒有內(nèi)存保護(hù)，也沒有虛擬內(nèi)存模型。另外，有些內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用也有差異。
內(nèi)存保護(hù)
沒有內(nèi)存保護(hù)的操作會導(dǎo)致這樣的結(jié)果：即使由無特權(quán)的進(jìn)程來調(diào)用一個(gè)無效指針，也會觸發(fā)一個(gè)地址錯(cuò)誤，并潛在地引起程序崩潰，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的掛起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運(yùn)行的代碼必須仔細(xì)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(yùn)行不同的用戶程序，如果沒有內(nèi)存保護(hù)將大大降低系統(tǒng)的安全性和可靠性；然而對于嵌入式mClinux系統(tǒng)而言，由于所運(yùn)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(yīng)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范圍內(nèi)。
虛擬內(nèi)存
沒有虛擬內(nèi)存主要會導(dǎo)致下面幾個(gè)結(jié)果：
首先，由內(nèi)核所加載的進(jìn)程必須能夠獨(dú)立運(yùn)行，與其在內(nèi)存中的位置無關(guān)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一種辦法是，一旦程序被加載到RAM中，那么程序的基準(zhǔn)地址就“固定”下來；另一種辦法是，生成只使用相對尋址的代碼(PIC)。mClinux對這兩種模式都支持。
其次，要解決扁平內(nèi)存模型中的內(nèi)存分配和釋放問題。非常動態(tài)的內(nèi)存分配會造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)內(nèi)存分配的那些應(yīng)用程序來說，增強(qiáng)健壯性的一種辦法是，用預(yù)分配緩沖區(qū)池(Preallocated buffer pool)來取代malloc()調(diào)用。由于mClinux中不使用虛擬內(nèi)存，進(jìn)出內(nèi)存的頁面交換也沒有實(shí)現(xiàn)，因而不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。在普通計(jì)算機(jī)上，操作系統(tǒng)允許應(yīng)用程序使用比物理內(nèi)存(RAM)更大的內(nèi)存空間，這往往是通過在硬盤上設(shè)立交換分區(qū)來實(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)存頁面交換的存取，因此，對運(yùn)行的應(yīng)用程序都限制其可分配空間不大于系統(tǒng)的RAM空間。
最后，mClinux目標(biāo)板處理器缺乏內(nèi)存管理的硬件單元，使得Linux的系統(tǒng)接口需要作些改變，最大的不同是沒有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用。 調(diào)用fork()將復(fù)制出進(jìn)程來創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。在Linux下，fork()使用copy-on-write頁面實(shí)現(xiàn)。由于沒有MMU，mClinux不能完整、可靠地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程，也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補(bǔ)這一缺陷，mClinux實(shí)現(xiàn)了vfork()，當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用vfork()來創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，兩個(gè)進(jìn)程共享它們的全部內(nèi)存空間，包括堆棧。子進(jìn)程要么代替父進(jìn)程執(zhí)行(此時(shí)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(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)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，父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。
但是，多任務(wù)并沒有受影響。較早的廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺程序(daemon)需要修改；由于子進(jìn)程運(yùn)行在和父進(jìn)程同樣的地址空間內(nèi)，在一些情況下，也需要修改兩個(gè)進(jìn)程的行為。
很多現(xiàn)代的程序依賴子進(jìn)程來執(zhí)行基本任務(wù)，使得即使在進(jìn)程負(fù)載很重時(shí)，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(shí)質(zhì)上的修改來在mClinux下完成同樣的任務(wù)。如果一個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用程序非常依賴這樣的結(jié)構(gòu)，那就不得不對它重新編寫了。
假設(shè)有一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)后臺程序(daemon)，大量使用了fork()。這個(gè)daemon總監(jiān)聽一個(gè)知名端口(或套接字)等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來連接。當(dāng)客戶端連接時(shí)，這個(gè)daemon給它一個(gè)新的連接信息(新的socket編號)，并調(diào)用fork()。子進(jìn)程接下來就會和客戶端在新的socket上進(jìn)行連接，而父進(jìn)程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。
mClinux 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(nèi)存。為了方便，在mClinux的C語言庫中所實(shí)現(xiàn)的malloc()實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)mmap()。在編譯時(shí)，可以指定程序的堆棧大小。
mClinux的內(nèi)核加載方式
mClinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：可以在Flash上直接運(yùn)行，也可以加載到RAM中運(yùn)行。
Flash運(yùn)行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映像文件燒錄到Flash上，系統(tǒng)啟動時(shí)從Flash的某個(gè)地址開始逐句執(zhí)行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。
內(nèi)核加載RAM方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上，系統(tǒng)啟動時(shí)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(fù)雜一些，但是運(yùn)行速度可能更快。同時(shí)這也是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)采用的啟動方式。
mClinux的文件系統(tǒng)
mClinux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)需要更少的空間。空間的節(jié)約來自于兩個(gè)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，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?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬RAM盤的方法進(jìn)行處理(RAM盤將采用ext2文件系統(tǒng))。
應(yīng)用程序如果需要以文件方式交換數(shù)據(jù)，可以將它存儲在/tmp目錄下。這一目錄實(shí)質(zhì)上就是虛擬的RAM盤。不過在掉電時(shí)，這些數(shù)據(jù)就會丟失。
如果希望在掉電時(shí)，信息仍然可以保持，那么就要把它寫到Flash中。這時(shí)，就可以使用JFFS這一文件系統(tǒng)，在mClinux的發(fā)布中，文件“/linux/drivers/block/flash.c”中提供的JFFS代碼可以參考。
另外，還需要修改/linux/.config和include/linux/autoconf.h中的有關(guān)內(nèi)容，增加對Flash和JFFS的編譯。

mClinux程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)
軟件開發(fā)工具
可以免費(fèi)獲得的GCC無疑是mClinux上最佳的開發(fā)工具。
mClinux系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要在標(biāo)準(zhǔn)Linux平臺上用交叉編譯工具來完成。除了前面所提到的一些涉及內(nèi)存和系統(tǒng)調(diào)用的程序之外，在x86版本的gcc編譯器下編譯通過的軟件通常不需要做大的改動就可以用交叉編譯工具編譯到mClinux上運(yùn)行。
交叉編譯器可以從下面網(wǎng)址獲得：http://www.mClinux.org/pub/mClinux/m68k-elf-tools/ m68k-elf-tools-20020410.tar.gz。交叉編譯器直接解在根目錄(/)下就行了。
tar xzf m68k-elf-tools-20020218.tar.gz
它會自動在/usr/local/下建立起整套m68k的ELF交叉編譯器，要編譯自己的簡單C程序就可以用/usr/local/bin/m68k-elf-gcc，例如，源代碼為test.c，那么可以這樣編譯：
/usr/local/bin/m68k-elf-gcc -Wall -elf2flt -m5307 test.c -lc -o test.out
參數(shù)“-Wall”指定產(chǎn)生全部的警告；-elf2flt指定自動調(diào)用elf轉(zhuǎn)換flat格式的工具；-m5307指定了處理器的指令集；-lc指定了鏈接信息(ld)；-o指定輸出文件的名字。
編譯成功后得到的test.out就可以在mClinux環(huán)境上運(yùn)行。通過GDB可以調(diào)試目標(biāo)板，Coldfire處理器可以通過Motorola的BDM作為調(diào)試接口，可以在不干擾程序正常運(yùn)行的情況下調(diào)試目標(biāo)板上的內(nèi)核。如果處理器不支持，那么在內(nèi)核中需要插樁(stub)，GDB和stub通過串行口或者以太網(wǎng)通訊。
可執(zhí)行文件格式
先解釋幾種可執(zhí)行文件格式。
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)連接和重定位；
flat：扁平格式。elf格式有很大的文件頭，flat格式對文件頭和一些段信息做了簡化，可執(zhí)行程序小。
mClinux系統(tǒng)目前支持flat和elf兩種可執(zhí)行文件格式。
mClinux的應(yīng)用程序庫
mClinux小型化的另一個(gè)做法是重寫了應(yīng)用程序庫，相對于越來越大且越來越全的glibc庫，mClibc對libc做了精簡。
mClinux對用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會使應(yīng)用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問題，也就是基于沒有MMU的特性，只能這樣做，同時(shí)這種做法也更接近于通常嵌入式系統(tǒng)的做法。
mClibc提供大多數(shù)的類UNIX的C程序調(diào)用。如果應(yīng)用程序需要用到mClibc中沒有提供的函數(shù)，這些函數(shù)可以加到mClibc中、或者作為一個(gè)獨(dú)立的庫、或者加到應(yīng)用程序上面來進(jìn)行鏈接。

結(jié)語
本文針對mClinux的特點(diǎn)，深入分析了其內(nèi)存管理、多線程實(shí)現(xiàn)、內(nèi)核加載、文件系統(tǒng)等技術(shù)，同時(shí)也對mClinux應(yīng)用程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了闡述?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1鄒思軼·嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用·清華大學(xué)出版社·2002.1
2 www.mClinux.org