嵌入式uClinux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)環(huán)境

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(gè)硬件平臺(tái)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(duì)uClinux的進(jìn)行介紹，嵌入式uClinux操作系統(tǒng)主要有三個(gè)基本部分組成：引導(dǎo)程序、 uClinux內(nèi)核（由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和中斷處理等構(gòu)成）和文件系統(tǒng)。uClinux可以通過(guò)定制使內(nèi)核小型化，還可以加上GUI(圖形用戶(hù)界面)和 定制應(yīng)用程序，并將其放在ROM、RAM、FLASH或Disk On Chip中啟動(dòng)。由于嵌入式uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核定制高度靈活性，開(kāi)發(fā)者可以很容易地對(duì)其進(jìn)行按需配置，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。又由于 uClinux是源代碼公開(kāi)，因此開(kāi)發(fā)人員只有了解內(nèi)核原理就可以自己開(kāi)發(fā)部分軟件，例如增加各類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序。下面將詳細(xì)分析嵌入式操作系統(tǒng) uClinux。

2 嵌入式uCinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)

uClinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖 1代表了內(nèi)核的功能結(jié)構(gòu)，與Linux基本相同，不同的只是對(duì)內(nèi)存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行改寫(xiě)，以滿(mǎn)足無(wú)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(lái)的，是專(zhuān)為沒(méi)有MMU的微處理器（如ARM7TDMI、Coldfire 等）設(shè)計(jì)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(xiě)，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(diǎn)：穩(wěn)定性，優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理。標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對(duì)有MMU的處理器設(shè)計(jì)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(guò)賦予每個(gè)任務(wù)不同的虛擬—物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。對(duì)于uCLinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)有MMU的處理器，不能使用 處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。

uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)（應(yīng)該說(shuō)這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當(dāng)普遍）。

uClinux仍采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)。在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁(yè)加載。但是由于沒(méi)有MMU管理，所以實(shí)際上uClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略(real memeory management)。這一點(diǎn)影響了系統(tǒng)工作的很多方面。

uClinux 系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，（它對(duì)地址的訪(fǎng)問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線(xiàn)上輸出），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(tǒng)對(duì)內(nèi)存 空間沒(méi)有保護(hù)（這實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)），各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間（沒(méi)有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表）。

一 個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間中。與之相對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)沒(méi)有必要保證 實(shí)際物理存儲(chǔ)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(pán)交換空間也是無(wú)法使用的，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)如果缺少內(nèi)存將無(wú)法通過(guò)磁盤(pán)交換來(lái)得到改 善。

uClinux 對(duì)內(nèi)存的管理減少同時(shí)就給開(kāi)發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(shí)代。開(kāi)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(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開(kāi)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(yùn)行程序 時(shí)受到懲罰），從而系統(tǒng)將在啟動(dòng)的初始化階段對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分頁(yè)，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運(yùn)行應(yīng)用時(shí)使用這些分頁(yè)內(nèi)存。

由 于應(yīng)用程序加載時(shí)必須分配連續(xù)的地址空間，而針對(duì)不同硬件平臺(tái)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(duì)EZ328處理器的 uClinux是128k，而針對(duì)Coldfire處理器的系統(tǒng)內(nèi)存則無(wú)此限制），所以開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需 要運(yùn)行空間的大小。另外由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶(hù)程序同內(nèi)核以及其它用戶(hù)程序在一個(gè)地址空間，程序開(kāi)發(fā)時(shí)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\(yùn)行異常。

從內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)人員的權(quán)利增大了（開(kāi)發(fā)人員在編程時(shí)可以訪(fǎng)問(wèn)任意的地址空間），但與此同時(shí)系統(tǒng)的安全性也大為下降。此外，系統(tǒng)對(duì)多進(jìn)程的管理將有很大的變化，這一點(diǎn)將在uClinux的多進(jìn)程管理中說(shuō)明。

4 uClinux的多進(jìn)程處理