嵌入式uClinux的內核結構和開發環境

1 引言

嵌入式操作系統是嵌入式系統的靈魂，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。比如ARM7TDMI內核，可以嵌入Nucleus、VxWorks、uClinux等操作系統。在此主要對uClinux的進行介紹，嵌入式uClinux操作系統主要有三個基本部分組成：引導程序、uClinux內核（由內存管理、進程管理和中斷處理等構成）和文件系統。uClinux可以通過定制使內核小型化，還可以加上GUI(圖形用戶界面)和定制應用程序，并將其放在ROM、RAM、FLASH或Disk On Chip中啟動。由于嵌入式uClinux操作系統的內核定制高度靈活性，開發者可以很容易地對其進行按需配置，來滿足實際應用需要。又由于uClinux是源代碼公開，因此開發人員只有了解內核原理就可以自己開發部分軟件，例如增加各類驅動程序。下面將詳細分析嵌入式操作系統uClinux。

2 嵌入式uCinux內核結構

uClinux內核結構如圖1所示：

圖1代表了內核的功能結構，與Linux基本相同，不同的只是對內存管理和進程管理進行改寫，以滿足無MMU處理器的要求。uClinux是Linux 操作系統的一種，是由Linux2.0內核發展來的，是專為沒有MMU的微處理器（如ARM7TDMI、Coldfire 等）設計的嵌入式Linux操作系統。另外,由于大多數內核源代碼都被重寫，uClinux的內核要比原Linux 2.0內核小的多, 但保留了Linux 操作系統的主要優點：穩定性，優異的網絡能力以及優秀的文件系統支持。

3 uClinux的內存管理

uClinux同標準Linux的最大區別就在于內存管理。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，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。對于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不能使用處理器的虛擬內存管理技術（應該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設備中相當普遍）。

uClinux仍采用存儲器的分頁管理，系統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)。這一點影響了系統工作的很多方面。

uClinux系統對于內存的訪問是直接的，（它對地址的訪問不需要經過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。操作系統對內存空間沒有保護（這實際上是很多嵌入式系統的特點），各個進程實際上共享一個運行空間（沒有獨立的地址轉換表）。

一個進程在執行前，系統必須為進程分配足夠的連續地址空間，然后全部載入主存儲器的連續空間中。與之相對應的是標準Linux系統在分配內存時沒有必要保證實際物理存儲空間是連續的，而只要保證虛存地址空間連續就可以了。此外磁盤交換空間也是無法使用的，系統執行時如果缺少內存將無法通過磁盤交換來得到改善。

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

由于應用程序加載時必須分配連續的地址空間，而針對不同硬件平臺的可一次成塊（連續地址）分配內存大小限制是不同（目前針對EZ328處理器的uClinux是128k，而針對Coldfire處理器的系統內存則無此限制），所以開發人員在開發應用程序時必須考慮內存的分配情況并關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，用戶程序同內核以及其它用戶程序在一個地址空間，程序開發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的正常工作，或導致其它程序的運行異常。

從內存的訪問角度來看，開發人員的權利增大了（開發人員在編程時可以訪問任意的地址空間），但與此同時系統的安全性也大為下降。此外，系統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。

4 uClinux的多進程處理

uClinux沒有MMU管理存儲器，在實現多個進程時（fork調用生成子進程）需要實現數據保護。由于uClinux的多進程管理是通過vfork來實現，因此fork等于vfork。這意味著uClinux系統fork調用完成后，要么子進程代替父進程執行（此時父進程已經sleep）直到子進程調用exit退出；要么調用exec執行一個新的進程，這個時候將產生可執行文件的加載，即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不能避免。當子進程執行exit或exec后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，使父進程繼續往下執行。

uClinux的這種多進程實現機制同它的內存管理緊密相關。uClinux針對沒有mmu處理器開發，所以被迫使用一種flat方式的內存管理模式，啟動新的應用程序時系統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存。缺少了MMU的內存重映射機制，uClinux必須在可執行文件加載階段對可執行文件reloc處理，使得程序執行時能夠直接使用物理內存。

5 uCLinux針對實時性的解決方案

uClinux本身并沒有關注實時問題，它并不是為了Linux的實時性而提出的。另外有一種Linux：RT－Linux關注實時問題。RT-Linux執行管理器把普通Linux的內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內核處理。這種方法已經應用于很多的操作系統用于增強操作系統的實時性，包括一些商用版UNIX系統，Windows NT等等。這種方法優點之一是實現簡單，且實時性能容易檢驗。優點之二是由于非實時進程運行于標準Linux系統，同其它Linux商用版本之間保持了很大的兼容性。優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可以應用于工業控制、進程控制等一些實時要求較高的應用。