mClinux系統(tǒng)特點深入分析

關鍵詞： mClinux；虛擬內存；內存保護；文件系統(tǒng)

前言
近年來，嵌入式技術發(fā)展迅速，mClinux以其優(yōu)異的性能、免費開放的代碼等優(yōu)點，獲得眾多嵌入式開發(fā)者的青睞。在標準Linux平臺上，開發(fā)者很容易獲得前人的成果作為參考，編寫更適合自己的程序。
然而，對于很多已經在標準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門為該類型處理器交叉編譯產生；另一方面，mClinux是為沒有內存管理單元(MMU)的嵌入式處理器設計，并做了較大幅度的精簡。所以，在標準Linux上可以使用的一些函數(shù)和系統(tǒng)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，分析mClinux上的應用程序設計和標準Linux程序設計存在的區(qū)別，并對mClinux程序設計要點進行闡述。

mClinux與標準Linux
mClinux是針對控制領域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內核派生而來，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mClinux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。mClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時將實際存儲器分頁，在加載應用程序時分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上mClinux采用實存儲器管理策略。mClinux系統(tǒng)對于內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。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。
同時，mClinux有著特別小的內核和用戶軟件空間。對于設計內核或系統(tǒng)空間的應用程序的開發(fā)者，要特別注意mClinux既沒有內存保護，也沒有虛擬內存模型。另外，有些內核系統(tǒng)調用也有差異。
內存保護
沒有內存保護的操作會導致這樣的結果：即使由無特權的進程來調用一個無效指針，也會觸發(fā)一個地址錯誤，并潛在地引起程序崩潰，甚至導致系統(tǒng)的掛起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運行的代碼必須仔細編程，并深入測試來確保健壯性和安全。
對于普通的Linux來說，需要運行不同的用戶程序，如果沒有內存保護將大大降低系統(tǒng)的安全性和可靠性；然而對于嵌入式mClinux系統(tǒng)而言，由于所運行的程序往往是在出廠前已經固化的，不存在危害系統(tǒng)安全的程序侵入的隱患，因此只要應用程序經過較完整的測試，出現(xiàn)問題的概率就可以控制在有限范圍內。
虛擬內存
沒有虛擬內存主要會導致下面幾個結果：
首先，由內核所加載的進程必須能夠獨立運行，與其在內存中的位置無關。實現(xiàn)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；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題。非常動態(tài)的內存分配會造成內存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)內存分配的那些應用程序來說，增強健壯性的一種辦法是，用預分配緩沖區(qū)池(Preallocated buffer pool)來取代malloc()調用。由于mClinux中不使用虛擬內存，進出內存的頁面交換也沒有實現(xiàn)，因而不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。在普通計算機上，操作系統(tǒng)允許應用程序使用比物理內存(RAM)更大的內存空間，這往往是通過在硬盤上設立交換分區(qū)來實現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用Flash存儲器來代替硬盤，很難高效地實現(xiàn)內存頁面交換的存取，因此，對運行的應用程序都限制其可分配空間不大于系統(tǒng)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(tǒng)接口需要作些改變，最大的不同是沒有fork()和brk()系統(tǒng)調用。 調用fork()將復制出進程來創(chuàng)建一個子進程。在Linux下，fork()使用copy-on-write頁面實現(xiàn)。由于沒有MMU，mClinux不能完整、可靠地復制一個進程，也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，mClinux實現(xiàn)了vfork()，當父進程調用vfork()來創(chuàng)建子進程時，兩個進程共享它們的全部內存空間，包括堆棧。子進程要么代替父進程執(zhí)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(zhí)行一個新的進程，這個時候將產生可執(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，父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。
但是，多任務并沒有受影響。較早的廣泛使用fork()的網絡后臺程序(daemon)需要修改；由于子進程運行在和父進程同樣的地址空間內，在一些情況下，也需要修改兩個進程的行為。
很多現(xiàn)代的程序依賴子進程來執(zhí)行基本任務，使得即使在進程負載很重時，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質上的修改來在mClinux下完成同樣的任務。如果一個關鍵的應用程序非常依賴這樣的結構，那就不得不對它重新編寫了。
假設有一個簡單的網絡后臺程序(daemon)，大量使用了fork()。這個daemon總監(jiān)聽一個知名端口(或套接字)等待網絡客戶端來連接。當客戶端連接時，這個daemon給它一個新的連接信息(新的socket編號)，并調用fork()。子進程接下來就會和客戶端在新的socket上進行連接，而父進程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。
mClinux 既沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap() 命令來分配內存。為了方便，在mClinux的C語言庫中所實現(xiàn)的malloc()實質上就是一個mmap()。在編譯時，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(zhí)行映像文件燒錄到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。
內核加載RAM方式：把內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。同時這也是標準Linux系統(tǒng)采用的啟動方式。
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)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)需要更少的空間?？臻g的節(jié)約來自于兩個方面：首先內核支持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，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)據采用虛擬RAM盤的方法進行處理(RAM盤將采用ext2文件系統(tǒng))。
應用程序如果需要以文件方式交換數(shù)據，可以將它存儲在/tmp目錄下。這一目錄實質上就是虛擬的RAM盤。不過在掉電時，這些數(shù)據就會丟失。
如果希望在掉電時，信息仍然可以保持，那么就要把它寫到Flash中。這時，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中的有關內容，增加對Flash和JFFS的編譯。

mClinux程序設計要點
軟件開發(fā)工具
可以免費獲得的GCC無疑是mClinux上最佳的開發(fā)工具。
mClinux系統(tǒng)的軟件開發(fā)需要在標準Linux平臺上用交叉編譯工具來完成。除了前面所提到的一些涉及內存和系統(tǒng)調用的程序之外，在x86版本的gcc編譯器下編譯通過的軟件通常不需要做大的改動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
它會自動在/usr/local/下建立起整套m68k的ELF交叉編譯器，要編譯自己的簡單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”指定產生全部的警告；-elf2flt指定自動調用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GDB可以調試目標板，Coldfire處理器可以通過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通過串行口或者以太網通訊。
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的應用程序庫
mClinux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，mClibc對libc做了精簡。
mClinux對用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會使應用程序變大，但是基于內存管理的問題，也就是基于沒有MMU的特性，只能這樣做，同時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UNIX的C程序調用。如果應用程序需要用到mClibc中沒有提供的函數(shù)，這些函數(shù)可以加到mClibc中、或者作為一個獨立的庫、或者加到應用程序上面來進行鏈接。

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

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