mClinux系統特點(diǎn)深入分析

關(guān)鍵詞： mClinux；虛擬內存；內存保護；文件系統

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。在標準Linux平臺上，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，對于很多已經(jīng)在標準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結構上的差異導致mClinux上運行的程序需要專(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)有內存管理單元(MMU)的嵌入式處理器設計，并做了較大幅度的精簡(jiǎn)。所以，在標準Linux上可以使用的一些函數和系統調用在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上的應用程序設計和標準Linux程序設計存在的區別，并對mClinux程序設計要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

mClinux與標準Linux
mClinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統，它從Linux 2.0/2.4內核派生而來(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與標準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(guò)賦予每個(gè)任務(wù)不同的虛擬－物理地址轉換映射，支持不同任務(wù)之間的保護。
對mClinux來(lái)說(shuō)，其設計針對沒(méi)有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內存管理技術(shù)。mClinux仍然采用存儲器的分頁(yè)管理，系統在啟動(dòng)時(shí)將實(shí)際存儲器分頁(yè)，在加載應用程序時(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)存儲器管理策略。mClinux系統對于內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，所有程序中訪(fǎng)問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統對內存空間沒(méi)有保護，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運行空間。一個(gè)進(jìn)程在執行前，系統必須為進(jìn)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。
同時(shí)，mClinux有著(zhù)特別小的內核和用戶(hù)軟件空間。對于設計內核或系統空間的應用程序的開(kāi)發(fā)者，要特別注意mClinux既沒(méi)有內存保護，也沒(méi)有虛擬內存模型。另外，有些內核系統調用也有差異。
內存保護
沒(méi)有內存保護的操作會(huì )導致這樣的結果：即使由無(wú)特權的進(jìn)程來(lái)調用一個(gè)無(wú)效指針，也會(huì )觸發(fā)一個(gè)地址錯誤，并潛在地引起程序崩潰，甚至導致系統的掛起。顯然，在這樣的系統上運行的代碼必須仔細編程，并深入測試來(lái)確保健壯性和安全。
對于普通的Linux來(lái)說(shuō)，需要運行不同的用戶(hù)程序，如果沒(méi)有內存保護將大大降低系統的安全性和可靠性；然而對于嵌入式mClinux系統而言，由于所運行的程序往往是在出廠(chǎng)前已經(jīng)固化的，不存在危害系統安全的程序侵入的隱患，因此只要應用程序經(jīng)過(guò)較完整的測試，出現問(wèn)題的概率就可以控制在有限范圍內。
虛擬內存
沒(méi)有虛擬內存主要會(huì )導致下面幾個(gè)結果：
首先，由內核所加載的進(jìn)程必須能夠獨立運行，與其在內存中的位置無(wú)關(guān)。實(shí)現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(lái)；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，要解決扁平內存模型中的內存分配和釋放問(wèn)題。非常動(dòng)態(tài)的內存分配會(huì )造成內存碎片，并可能耗盡系統的資源。對于使用了動(dòng)態(tài)內存分配的那些應用程序來(lái)說(shuō)，增強健壯性的一種辦法是，用預分配緩沖區池(Preallocated buffer pool)來(lái)取代malloc()調用。由于mClinux中不使用虛擬內存，進(jìn)出內存的頁(yè)面交換也沒(méi)有實(shí)現，因而不能保證頁(yè)面會(huì )被加載到RAM中的同樣位置。在普通計算機上，操作系統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(guò)在硬盤(pán)上設立交換分區來(lái)實(shí)現的。但是，在嵌入式系統中，通常都用Flash存儲器來(lái)代替硬盤(pán)，很難高效地實(shí)現內存頁(yè)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的RAM空間。
最后，mClinux目標板處理器缺乏內存管理的硬件單元，使得Linux的系統接口需要作些改變，最大的不同是沒(méi)有fork()和brk()系統調用。 調用fork()將復制出進(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。由于沒(méi)有MMU，mClinux不能完整、可靠地復制一個(gè)進(jìn)程，也沒(méi)有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，mClinux實(shí)現了vfork()，當父進(jìn)程調用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?jì)却婵臻g，包括堆棧。子進(jìn)程要么代替父進(jìn)程執行(此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep)直到子進(jìn)程調用exit()退出，要么調用exec()執行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候將產(chǎn)生可執行文件的加載。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。當子進(jìn)程執行exit()或exec()后，子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒，父進(jìn)程繼續往下執行。
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 )后臺程序(daemon)需要修改；由于子進(jìn)程運行在和父進(jìn)程同樣的地址空間內，在一些情況下，也需要修改兩個(gè)進(jìn)程的行為。
很多現代的程序依賴(lài)子進(jìn)程來(lái)執行基本任務(wù)，使得即使在進(jìn)程負載很重時(shí)，系統仍可以保持一種“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)鍵的應用程序非常依賴(lài)這樣的結構，那就不得不對它重新編寫(xiě)了。
假設有一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )后臺程序(daemon)，大量使用了fork()。這個(gè)daemon總監聽(tīng)一個(gè)知名端口(或套接字)等待網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端來(lái)連接。當客戶(hù)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)，并調用fork()。子進(jìn)程接下來(lái)就會(huì )和客戶(hù)端在新的socket上進(jìn)行連接，而父進(jìn)程被釋放，可以繼續監聽(tīng)新的連接。
mClinux 既沒(méi)有自動(dòng)生長(cháng)的堆棧，也沒(méi)有brk()函數，這樣，用戶(hù)空間的程序必須使用mmap() 命令來(lái)分配內存。為了方便，在mClinux的C語(yǔ)言庫中所實(shí)現的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的內核加載方式
mClinux的內核有兩種可選的運行方式：可以在Flash上直接運行，也可以加載到RAM中運行。
Flash運行方式：把內核的可執行映像文件燒錄到Flash上，系統啟動(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開(kāi)始逐句執行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統采用的方法。
內核加載RAM方式：把內核的壓縮文件存放在Flash上，系統啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內存里解壓，然后開(kāi)始執行，這種方式相對復雜一些，但是運行速度可能更快。同時(shí)這也是標準Linux系統采用的啟動(dòng)方式。
mClinux的文件系統
mClinux系統采用ROMFS文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統需要更少的空間?？臻g的節約來(lái)自于兩個(gè)方面：首先內核支持ROMFS文件系統比支持ext2文件系統需要更少的代碼；其次ROMFS文件系統相對簡(jiǎn)單，建立文件系統超級塊(superblock)需要更少的存儲空間。ROMFS文件系統不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對于系統需要動(dòng)態(tài)保存的數據采用虛擬RAM盤(pán)的方法進(jìn)行處理(RAM盤(pán)將采用ext2文件系統)。
應用程序如果需要以文件方式交換數據，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(pán)。不過(guò)在掉電時(shí)，這些數據就會(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，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)內容，增加對Flash和JFFS的編譯。

mClinux程序設計要點(diǎn)
軟件開(kāi)發(fā)工具
可以免費獲得的GCC無(wú)疑是mClinux上最佳的開(kāi)發(fā)工具。
mClinux系統的軟件開(kāi)發(fā)需要在標準Linux平臺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存和系統調用的程序之外，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“-Wall”指定產(chǎn)生全部的警告；-elf2flt指定自動(dòng)調用elf轉換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)境上運行。通過(guò)GDB可以調試目標板，Coldfire處理器可以通過(guò)Motorola的BDM作為調試接口，可以在不干擾程序正常運行的情況下調試目標板上的內核。如果處理器不支持，那么在內核中需要插樁(stub)，GDB和stub通過(guò)串行口或者以太網(wǎng)通訊。
可執行文件格式
先解釋幾種可執行文件格式。
coff(common object file format)：一種通用的對象文件格式；
elf(excutive linked file)：一種為L(cháng)inux系統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格式對文件頭和一些段信息做了簡(jiǎn)化，可執行程序小。
mClinux系統目前支持flat和elf兩種可執行文件格式。
mClinux的應用程序庫
mClinux小型化的另一個(gè)做法是重寫(xiě)了應用程序庫，相對于越來(lái)越大且越來(lái)越全的glibc庫，mClibc對libc做了精簡(jiǎn)。
mClinux對用戶(hù)程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會(huì )使應用程序變大，但是基于內存管理的問(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的做法。
mClibc提供大多數的類(lèi)UNIX的C程序調用。如果應用程序需要用到mClibc中沒(méi)有提供的函數，這些函數可以加到mClibc中、或者作為一個(gè)獨立的庫、或者加到應用程序上面來(lái)進(jìn)行鏈接。

結語(yǔ)
本文針對mClinux的特點(diǎn)，深入分析了其內存管理、多線(xiàn)程實(shí)現、內核加載、文件系統等技術(shù)，同時(shí)也對mClinux應用程序設計要點(diǎn)作了闡述?！?/P>

參考文獻
1鄒思軼·嵌入式Linux設計與應用·清華大學(xué)出版社·2002.1
2 www.mClinux.org