原创深入剖析uClinux

 2006-12-28 16:44  4216 10 11 分类: MCU/ 嵌入式

苹果的iPod是一款时尚的MP3播放器，采用苹果公司的专用MP3播放软件，是市场上销量最好的MP3之一。最近狂热的Linux爱好者对其进行了改造，在不改动硬件的环境下移植了内核版本为2.4.24的uClinux(基于ARM 32位处理器内核ARM 7TDMI)，并使其具备了FramBuffer、硬盘支持、远程控制等功能，使一台MP3变成了一台PDA。该项目一直处于活跃阶段，许多新的功能正在添加之中。
    图2显示了在Cisco 3000上路由器运行uClinux的图片。事实上，在基于MIPS处理器的Cisco 2500/3000/4000系列路由器上，uClinux都得到了移植，并能够出色稳定地工作。

    以上两个例子显示了作为一个开放源代码的操作系统，uClinux有着优良的可移植性和广泛的兼容性，其应用遍及DVD播放器、PDA、路由器、防火墙、机顶盒、工业控制设备、VOIP设备、数码摄像头、智能家具设备等。

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图1 运行uClinux的苹果iPod-MP3播放器

图2 运行uClinux的Cisco 3000路由器
    针对没有MMU的CPU
    全球每年生产的CPU的数量大概在二十亿颗左右，其中大部分是应用于专用性很强的各类嵌入式系统。大部分嵌入式系统为了减少系统复杂程度、降低硬件及开发成本和运行功耗，在硬件设计中取消了内存管理单元（MMU）模块。最初，运行于这类没有MMU的CPU之上的都是一些很简单的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有操作系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，并且所有的应用程序需要重新开发，还要求开发人员十分了解硬件特性。这些都阻碍了不含MMU的嵌入式产品开发的速度和应用水平。

    uClinux专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的项目，完全开放代码。

    最初的uClinux仅仅支持Palm硬件系统，基于Linux 2.0内核。随着系统的日益改进，支持的内核版本从2.0、2.2、2.4一直到现在最新的2.6。系统的开发人员从两人增加到了目前的12人，支持的硬件系统也从一种增加到了目前的十余种（支持的硬件平台如Motorola公司的M68328、M68EN322、MC68360、DragonBall系列如68EZ328、68VZ328，ColdFire系列的如5272、5307，ARM 7TDMI、MC68EN302、ETRAX、Intel i960、PRISMA、Atari 68k等等。）

    根据Linuxdevices.com网站2004年3月的调查，uClinux在全球嵌入式Linux市场所占的份额已位居第二，仅仅落后于定制Linux（即自己下载源码进行修改定制）。同时Linux在全球嵌入式操作系统的市场份额依然处于统治地位(占40%以上),领先第二名微软公司的嵌入式操作系统三倍以上(市场份额约13%)。
    uClinux系统特点
    1. 嵌入式操作系统比较
    由表1可以看出，对于嵌入式应用，高端平台可直接采用Linux系统，其兼容性和可移植度都较高，但对硬件处理速度和存储空间要求较高。
    低端平台的最佳选择是uClinux，其性能稳定、移植性好、功能强大。
    低端平台如果对实时性要求较高、应用相对简单，则可采用uc/os或其他操作系统。

    2.基本架构
    由图3可以看出，uClinux的系统与标准Linux的架构完全一致。

图3 uClinux系统架构
    3. 内存管理
    uClinux是专门针对没有MMU的处理器而设计的，即uClinux无法使用处理器的虚拟内存管理技术。实际上uClinux采用实存储器管理策略，通过地址总线对物理内存进行直接访问。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，所有的进程都在一个运行空间中运行（包括内核进程），这样的运行机制给程序员带来了不小的挑战，在操作系统不提供保护的情况下必需小心设计程序和数据空间，以免引起应用程序进程甚至是内核的崩溃。

    uClinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时程序分页加载。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。系统不含MMU带来的另外一个问题是磁盘交换空间无法使用，对于资源有限的嵌入式系统而言，系统执行时如果缺少内存将无法通过磁盘交换来得到改善。

    MMU的省略虽然带来了系统及应用程序开发的限制，但对于成本和体积敏感的嵌入式设备而言，其应用环境和应用需求并不要求复杂和相对昂贵的硬件体系,对于功能简单的专用嵌入式设备，内存的分配和管理完全可以由开发人员考虑。
    4.文件系统
    uClinux系统多采用Romfs文件系统，Romfs是一种相对简单、占用空间较少的文件系统。空间的节约来自于两个方面：首先内核支持Romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码；其次romfs文件系统相对简单，在建立文件系统超级块（Superblock）需要更少的存储空间。Romfs是只读的文件系统，禁止写操作，因此系统同时需要虚拟盘（RAMDISK）支持临时文件和数据文件的存储。
     随着技术的发展，近年来日志文件系统在uClinux系统上得到了较多的应用，其中以支持NOR FLASH的JFFS、JFFS2文件系统和支持NAND FLASH的YAFFS最为流行。这些文件系统都支持掉电文件保护，同时支持标准的MTD驱动。

    5.多进程管理
    由于uClinux没有MMU管理存储器，在实现多个进程时需要实现数据保护。uClinux的虽然支持fork函数，但其实质是和vfork：实际上uClinux所有的多进程管理都通过vfork来实现。

    vfork不拷贝父进程的页面，只是初始化私有的数据结构与准备足够的分页表。调用完成后父子进程事实上共享同一块存储器，因此子进程可以更改父进程的数据及堆栈信息，所有父进程进入睡眠，直到子进程执行exec。当子进程正确开始执行后，将唤醒父进程，使得父进程继续往后执行。这意味着uClinux系统fork调用完程后，要么子进程代替父进程执行（此时父进程已经休眠）直到子进程调用exit退出，要么调用exec执行一个新的进程。

    vfork是uClinux与标准Linux应用程序的开发中最重要的不同之处，只有对vfork与fork两个函数的差异和程序处理有详细的了解才能顺利地完成从Linux到uClinux的程序移植。

    6.实时性讨论
    与Linux一样，uClinux本身并不支持实时性应用，但通过实时性的修改（RTLinux或RTAI）可以提供基于内核空间和用户空间的硬实时和软实时的系统调用。
    uClinux不足之处
    正如中国古语云“人无完人”，uClinux也有一些不足之处：

    1.文档的不足
    与Linux及其他自由软件类似，uClinux的文档十分不足：缺乏组织和一致的文档、热门技术和分类文档众多而杂乱无章、非热点部分文档缺失甚至没有文档。对于开发人员而言，往往要深入程序的源代码找寻有用的资料。

    2.Bug问题
    uClinux与硬件平台直接相关。对于有商业公司赞助的硬件平台，其相关代码和Bug更新较快，编译和执行都十分顺利；但对于非商业支持的硬件平台，其内核和应用程序代码都得不到及时更新和排错。这种现象在内核源代码树还不是十分普遍，但在uClinux自带的应用程序库中却经常发生编译错误，往往是增加了一个应用程序或改变了运行库便导致无法编译。这就需要开发者投入足够的时间和精力进行排错和修改，也会导致开发进度的延误。

    总结

    uClinux是一个优秀的嵌入式操作系统，集硬件兼容性、软件可移植性、系统稳定性于一身，是开放系统世界的一颗新星。在本系列文章的后面将陆续探讨uClinux的内核定制、驱动开发、文件系统等一系列技术问题