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(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，mClinux以其優(yōu)異的性能、免費(fèi)開(kāi)放的代碼等優(yōu)點(diǎn)，獲得眾多嵌入式開(kāi)發(fā)者的青睞。在標(biāo)準(zhǔn)Linux平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)者很容易獲得前人的成果作為參考，編寫(xiě)更適合自己的程序。
然而，對(duì)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(zhuān)門(mén)為該類(lèi)型處理器交叉編譯產(chǎn)生；另一方面，mClinux是為沒(méi)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(jiǎn)。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(duì)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(duì)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(lái)，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(wú)MMU是mClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的基本差異。
標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對(duì)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(guò)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(duì)mClinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)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(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)將實(shí)際存儲(chǔ)器分頁(yè)，在加載應(yīng)用程序時(shí)分頁(yè)加載。但是由于沒(méi)有MMU管理，所以實(shí)際上mClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。mClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)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(chǔ)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(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)核或系統(tǒng)空間的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者，要特別注意mClinux既沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)，也沒(méi)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(méi)有內(nèi)存保護(hù)的操作會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果：即使由無(wú)特權(quán)的進(jìn)程來(lái)調(diào)用一個(gè)無(wú)效指針，也會(huì)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(cè)試來(lái)確保健壯性和安全。
對(duì)于普通的Linux來(lái)說(shuō)，需要運(yùn)行不同的用戶程序，如果沒(méi)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(duì)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(guò)較完整的測(cè)試，出現(xiàn)問(wèn)題的概率就可以控制在有限范圍內(nèi)。
虛擬內(nèi)存
沒(méi)有虛擬內(nèi)存主要會(huì)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(wú)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(lái)；另一種辦法是，生成只使用相對(duì)尋址的代碼(PIC)。mClinux對(duì)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(wèn)題。非常動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配會(huì)造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對(duì)于使用了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的那些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，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(lái)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(yè)面交換也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，因而不能保證頁(yè)面會(huì)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(guò)在硬盤(pán)上設(shè)立交換分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用Flash存儲(chǔ)器來(lái)代替硬盤(pán)，很難高效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)存頁(yè)面交換的存取，因此，對(duì)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(méi)有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用。 調(diào)用fork()將復(fù)制出進(jìn)程來(lái)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。在Linux下，fork()使用copy-on-write頁(yè)面實(shí)現(xiàn)。由于沒(méi)有MMU，mClinux不能完整、可靠地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程，也沒(méi)有對(duì)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(lái)創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，兩個(gè)進(jìn)程共享它們的全部?jī)?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(guò)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(méi)有受影響。較早的廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)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(lái)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(lái)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(duì)它重新編寫(xiě)了。
假設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)程序(daemon)，大量使用了fork()。這個(gè)daemon總監(jiān)聽(tīng)一個(gè)知名端口(或套接字)等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來(lái)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(hào))，并調(diào)用fork()。子進(jìn)程接下來(lái)就會(huì)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(tīng)新的連接。
mClinux 既沒(méi)有自動(dòng)生長(zhǎng)的堆棧，也沒(méi)有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap() 命令來(lái)分配內(nèi)存。為了方便，在mClinux的C語(yǔ)言庫(kù)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(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開(kāi)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(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開(kāi)始執(zhí)行，這種方式相對(duì)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(dòng)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(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)需要更少的空間。空間的節(jié)約來(lái)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(duì)簡(jiǎn)單，建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊(superblock)需要更少的存儲(chǔ)空間。ROMFS文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬RAM盤(pán)的方法進(jìn)行處理(RAM盤(pán)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(chǔ)在/tmp目錄下。這一目錄實(shí)質(zhì)上就是虛擬的RAM盤(pán)。不過(guò)在掉電時(shí)，這些數(shù)據(jù)就會(huì)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(xiě)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(duì)Flash和JFFS的編譯。

mClinux程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)
軟件開(kāi)發(fā)工具
可以免費(fèi)獲得的GCC無(wú)疑是mClinux上最佳的開(kāi)發(fā)工具。
mClinux系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)需要在標(biāo)準(zhǔn)Linux平臺(tái)上用交叉編譯工具來(lái)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(guò)的軟件通常不需要做大的改動(dòng)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(huì)自動(dòng)在/usr/local/下建立起整套m68k的ELF交叉編譯器，要編譯自己的簡(jiǎn)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(dòng)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(guò)GDB可以調(diào)試目標(biāo)板，Coldfire處理器可以通過(guò)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(guò)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(duì)象文件格式；
elf(excutive linked file)：一種為L(zhǎng)inux系統(tǒng)所采用的通用文件格式，支持動(dòng)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(duì)文件頭和一些段信息做了簡(jiǎn)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(kù)
mClinux小型化的另一個(gè)做法是重寫(xiě)了應(yīng)用程序庫(kù)，相對(duì)于越來(lái)越大且越來(lái)越全的glibc庫(kù)，mClibc對(duì)libc做了精簡(jiǎn)。
mClinux對(duì)用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會(huì)使應(yīng)用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問(wèn)題，也就是基于沒(méi)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(lèi)UNIX的C程序調(diào)用。如果應(yīng)用程序需要用到mClibc中沒(méi)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(kù)、或者加到應(yīng)用程序上面來(lái)進(jìn)行鏈接。

結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)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(duì)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