嵌入式操作系統(tǒng)uCLinux

1  引言

    嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)。比如ARM7TDMI內(nèi)核，可以嵌入Nucleus、VxWorks、uClinux等操作系統(tǒng)。在此主要對uClinux的進行介紹，嵌入式uClinux操作系統(tǒng)主要有三個基本部分組成：引導程序、uClinux內(nèi)核（由內(nèi)存管理、進程管理和中斷處理等構成）和文件系統(tǒng)。uClinux可以通過定制使內(nèi)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(tǒng)的內(nèi)核定制高度靈活性，開發(fā)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(fā)人員只有了解內(nèi)核原理就可以自己開發(fā)部分軟件，例如增加各類驅(qū)動程序。下面將詳細分析嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。

    2 嵌入式uCinux內(nèi)核結構

    uClinux內(nèi)核結構如圖1所示：

    圖1代表了內(nèi)核的功能結構，與Linux基本相同，不同的只是對內(nèi)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(tǒng)的一種，是由Linux2.0內(nèi)核發(fā)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(tǒng)。另外,由于大多數(shù)內(nèi)核源代碼都被重寫，uClinux的內(nèi)核要比原Linux 2.0內(nèi)核小的多, 但保留了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點：穩(wěn)定性，優(yōu)異的網(wǎng)絡能力以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持。

    3 uClinux的內(nèi)存管理

    uClinux同標準Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)存管理技術。

    uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)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(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。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。

    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。由于uClinux的多進程管理是通過vfork來實現(xiàn)，因此fork等于vfork。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，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，使父進程繼續(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。uClinux針對沒有mmu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。

    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(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。

    6   uClinux的開發(fā)環(huán)境

    1，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）。

    2， Clinux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?。?，同時也可以通過串口終端與系統(tǒng)交互。

    uClinux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)時由用戶決定是否啟動遠程登錄服務。

    3， 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）。

    由上述討論，至少需要兩套編譯連接工具：

    1） 二進制工具（Binutils）

    GNU binutils包包括了匯編工具、鏈接器和基本的目標文件處理工具。對binutils包的設置定義了所需的目標文件的格式和字節(jié)順序。Binutils包種的工具都使用了二進制文件描述符（BFD）庫來交換數(shù)據(jù)。通過設置文件config.bfd，可以指定默認的二進制文件格式（例如elf little endian）和任何工具可用的格式，見例1。

    例1 在config.bfd中添加的用來指定目標二進制格式的代碼

arm-*-uClinux* | armel-*-uClinux*
tag_defvec=bfd_elf32_littlearm_vec
targ_selvecs=”bfd_elf32_bigarm_vec armcoff_little_vec armcoff_big_vec”

    2） C編譯器

    GNU編譯器集GCC是通過使用一種叫做“寄存器轉(zhuǎn)換語言”（RTL）的方式實現(xiàn)的。假定現(xiàn)在有一種基本的機器描述性文件，它已經(jīng)能滿足大家的需要?，F(xiàn)在要做的僅僅是設置默認情況下使用的參數(shù)和如何將文件組合成可執(zhí)行文件的方式。GNU的文檔提供了所有必需的資料，使得用戶可以為新型的處理器的指令集合提供支持。如果要針對體系的機器建立一個新的目標機器，那么就必須指定默認編譯參數(shù)和定制系統(tǒng)的特定參數(shù)，見例2。對于特定的目標系統(tǒng)，可以使用TARGET_DEFAULT宏來在target.h文件中定義編譯器的開關。目標t-makefile段指定了應該構建哪一個額外的例程和其編譯的方式。

    例2 使用uClinux-arm.h來指定默認的編譯參數(shù)

＃undef TARGET_DEFAULT
#define TARGET_DEFAULT(ARM_FLAG_APCS_32|ARM_FLAG_NO_GOT)

    4 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。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?BR>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)在實際處理時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。

    7 總結

    以上主要闡述了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux的內(nèi)核結構、、內(nèi)存管理、多進程處理、針對實時性的解決方案和開發(fā)環(huán)境，先對uCLinux有一個深刻的認識，將有利于今后進一步研究開發(fā)。