uClinux系統(tǒng)分析
簡介
Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與Unix系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領域。而更大的影響在于它正逐漸的應用于嵌入式設備。uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uClinux這個英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以uClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是"針對微控制領域而設計的Linux系統(tǒng)"。
uClinux小型化的做法
標準Linux可能采用的小型化方法
1、重新編譯內(nèi)核
Linux內(nèi)核采用模塊化的設計，即很多功能塊可以獨立的加上或卸下，開發(fā)人員在設計內(nèi)核時把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時指定。因此一種較通用的做法是對Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時仔細的選擇嵌入式設備所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能。通過對內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量。
2、制作root文件系統(tǒng)映象
Linux系統(tǒng)在啟動時必須加載根（root）文件系統(tǒng)，因此剪裁系統(tǒng)同時包括root file system的剪裁。在x86系統(tǒng)下，Linux可以在Dos下，使用Loadlin文件加載啟動。
uClinux采用的小型化方法
1、uClinux的內(nèi)核加載方式
uClinux的內(nèi)核有兩種可選的運行方式：可以在flash上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。這種做法可以減少內(nèi)存需要。
Flash運行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映象燒寫到flash上，系統(tǒng)啟動時從flash的某個地址開始逐句執(zhí)行。這種方法實際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。
內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行，這種方式相對復雜一些，但是運行速度可能更快（ram的存取速率要比flash高）。同時這也是標準Linux系統(tǒng)采用的啟動方式。
2、uClinux的根（root）文件系統(tǒng)
uClinux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)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個方面，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，在建立文件系統(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)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。
3、uClinux的應用程序庫
uClinux小型化的另一個做法是重寫了應用程序庫，相對于越來越大且越來越全的glibc庫，uClibc對libc做了精簡。
uClinux對用戶程序采用靜態(tài)連接的形式，這種做法會使應用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問題，不得不這樣做（這將在下文對uClinux內(nèi)存管理展開分析時進行說明），同時這種做法也更接近于通常嵌入式系統(tǒng)的做法。
uClinux的開發(fā)環(huán)境
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）。
uClinux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)打印），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)時有用戶決定是否啟動遠程登錄服務。
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，本文將在后面進一步分析）。
由上述討論，至少需要兩套編譯連接工具。在討論過uClinux的內(nèi)存管理后本文將給出整個系統(tǒng)的工作流程以及系統(tǒng)在flash和ram中的空間分布。
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（可執(zhí)行文件加載器的詳見fs/binfmt_flat.c）。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)在實際處理是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，這一點將在uClinux內(nèi)存管理分析時說明。
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。
uClinux的內(nèi)存管理
應該說uClinux同標準Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，同時也由于uClinux的內(nèi)存管理引發(fā)了一些標準Linux所不會出現(xiàn)的問題。本文將把uClinux內(nèi)存管理同標準Linux的那內(nèi)存管理部分進行比較分析。
1、標準Linux使用的虛擬存儲器技術
標準Linux使用虛擬存儲器技術，這種技術用于提供比計算機系統(tǒng)中實際使用的物理內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。使用者將感覺到好像程序可以使用非常大的內(nèi)存空間，從而使得編程人員在寫程序時不用考慮計算機中的物理內(nèi)存的實際容量。
為了支持虛擬存儲管理器的管理，Linux系統(tǒng)采用分頁（paging）的方式來載入進程。所謂分頁既是把實際的存儲器分割為相同大小的段，例如每個段1024個字節(jié)，這樣1024個字節(jié)大小的段便稱為一個頁面（page）。
虛擬存儲器由存儲器管理機制及一個大容量的快速硬盤存儲器支持。它的實現(xiàn)基于局部性原理，當一個程序在運行之前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，而是僅將那些當前要運行的那些部分頁面或段裝入內(nèi)存運行（copy-on-write）， 其余暫時留在硬盤上程序運行時如果它所要訪問的頁（段）已存在，則程序繼續(xù)運行，如果發(fā)現(xiàn)不存在的頁（段），操作系統(tǒng)將產(chǎn)生一個頁錯誤（page fault），這個錯誤導致操作系統(tǒng)把需要運行的部分加載到內(nèi)存中。必要時操作系統(tǒng)還可以把不需要的內(nèi)存頁（段）交換到磁盤上。利用這樣的方式管理存儲器，便可把一個進程所需要用到的存儲器以化整為零的方式，視需求分批載入，而核心程序則憑借屬于每個頁面的頁碼來完成尋址各個存儲器區(qū)段的工作。
標準Linux是針對有內(nèi)存管理單元的處理器設計的。在這種處理器上，虛擬地址被送到內(nèi)存管理單元（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。地址轉換函數(shù)在每一個任務中定義，在一個任務中的虛擬地址空間映射到物理內(nèi)存的一個部分，而另一個任務的虛擬地址空間映射到物理存儲器中的另外區(qū)域。計算機的存儲管理單元（MMU）一般有一組寄存器來標識當前運行的進程的轉換表。在當前進程將CPU放棄給另一個進程時（一次上下文切換），內(nèi)核通過指向新進程地址轉換表的指針加載這些寄存器。MMU寄存器是有特權的，只能在內(nèi)核態(tài)才能訪問。這就保證了一個進程只能訪問自己用戶空間內(nèi)的地址，而不會訪問和修改其它進程的空間。當可執(zhí)行文件被加載時，加載器根據(jù)缺省的ld文件，把程序加載到虛擬內(nèi)存的一個空間，因為這個原因?qū)嶋H上很多程序的虛擬地址空間是相同的，但是由于轉換函數(shù)不同，所以實際所處的內(nèi)存區(qū)域也不同。而對于多進程管理當處理器進行進程切換并執(zhí)行一個新任務時，一個重要部分就是為新任務切換任務轉換表。我們可以看到Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理至少實現(xiàn)了以下功能：
運行比內(nèi)存還要大的程序。理想情況下應該可以運行任意大小的程序
◇可以運行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動的時間
◇可以使多個程序同時駐留在內(nèi)存中提高CPU的利用率
◇可以運行重定位程序。即程序可以方于內(nèi)存中的任何一處，而且可以在執(zhí)行過程中移動。
◇寫機器無關的代碼。程序不必事先約定機器的配置情況。
◇減輕程序員分配和管理內(nèi)存資源的負擔。
◇可以進行共享--例如，如果兩個進程運行同一個程序，它們應該可以共享程序代碼的同一個副本。
◇提供內(nèi)存保護，進程不能以非授權方式訪問或修改頁面，內(nèi)核保護單個進程的數(shù)據(jù)和代碼以防止其它進程修改它們。否則，用戶程序可能會偶然（或惡意）的破壞內(nèi)核或其它用戶程序。
虛存系統(tǒng)并不是沒有代價的。 內(nèi)存管理需要地址轉換表和其他一些數(shù)據(jù)結構， 留給程序的內(nèi)存減少了。地址轉換增加了每一條指令的執(zhí)行時間，而對于有額外內(nèi)存操作的指令會更嚴重。當進程訪問不在內(nèi)存的頁面時，系統(tǒng)發(fā)生失效。系統(tǒng)處理該失效，并將頁面加載到內(nèi)存中，這需要極耗時間的磁盤I/O操作?？傊畠?nèi)存管理活動占用了相當一部分cpu時間（在較忙的系統(tǒng)中大約占10％）。
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