uCLinux嵌入式系統開發環境建立

　　4、 應用程序設計

　　我們知道，在主流的Linux平臺上，已經有了非常豐富的、開源應用程序，使得開發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環境中工作得很好的程序，并不能直接在uClinux環境上運行。一方面是由于嵌入式的uCLinux所使用的處理器和普通PC不同，指令集、CPU結構上的差導致uClinux上運行和的程序需要專門為該類型處理器交叉編譯產生：另一方面uCLinux是為了沒有內存管理單元(MMU)的處理器、控制器設計，并做了較大幅度的精簡，所以，在標準Linux上可以作用的一些函數和系統調用在uCLinux上有可能就行不通了。

　　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一物理地址轉換映射，支持不同任務之間的保護。

　　對uCLinux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。uCLinux仍然采用存儲器的分頁管理。系統在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上uCLinux采用實存儲器管理策略。uCLinux系統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。操作系統對成倍存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執行前。系統必須為進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，uClinux有著特別小的內核和用戶軟件空間。熟悉主流Linux的開發者會注意到在uClinx下工作的微小差異，但同樣也可以很快熟悉uClinux的一些特性。對于設計內核或系統空間的應用程序的開發者，要特點注意uClinux既沒有內存保護，也沒有虛擬內存模型，另外，有些內核系統調用也有差異。

　　沒有內存保護(Memory Protection)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，也會觸發一個地址錯誤，并潛在引起程序崩潰，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的安全性和可靠性：然后對嵌入式uClinux系統而言，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，出現問題的概率就可以控制在有限的范圍內。沒有虛擬內存(Virtual Memory)主要導致下面幾個后果： 首先，由內核所加載的進程必須能夠獨立運行，與它們在內存中的位置無關。實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：另一種辦法是產生只使用相對尋址的代碼(稱為“位置無關代碼”，Position Independent Code，簡稱PIC)。uClinux 對這兩種模式都支持。

　　其次，要解決在扁平(flat)的內存模型中的內存分配和問題。非常動態的內存分配會造成內存碎片，并可能耗盡系統的資源。對于使用了動態的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池(Prelllocated buffer pool)的辦法來取代malloc()調用。由于uClinux中不使用虛擬內存，進出內存的頁面交換也沒有實現，，因為不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。要普通計算機上，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，這往往是通過在硬盤上設立交換分區來實現的。但是，在嵌入式系統中，通常都用FLASH存儲器來代替硬盤，很難高效地實現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的RAM空間。最后，uClinux目標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，有可能最大的不同就是沒有fork()和brk()系統調用。調用fork()將復制出進程來創建一個子進程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁面來實現的。由于沒有MMU，uClinux不能完整、可靠村地復制一個進程。也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，uClinux實現了發vfok(),當父進程調用vfork()來創建子進程時，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行(此時父進程已經sleep)直到子進程調 用exitI()退出，要么調用eexec()執行一個新的進程，這個時候將產生可執行文件的加載。即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不能避免。當子進程執行exit()或exec()后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，父進程繼續往下執行。注意，多任務并沒有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網絡后臺程序(daemon)的確是需要修改的。由于子進程運行在和父進程同親的地址空間內，在一些情況下，也需要修改兩個進程的行為。很多現代的程序依賴子進程業執行基本任務，使得即時進程負載很重時，系統仍可以保持一種“可交互”的狀態，這些程序可能需要實質上的修改來在uClinux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，可以繼續監聽新的連接。

　　uClinux既沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數，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uClinux的C語言庫中所實現的malloc()實質上就是一個mmap().在編譯時，可以指定程序的堆棧大小。其實，除了一些設計內存和系統調用的程序之外，在x86版本的gcc編譯器下編譯通過的軟件通常不需要做大的改動就可以用交叉編譯到uClinux上運行。如編譯heelo. xxx-elf-gcc-Wall ?elf2flt-mxxx hello.c-lc-0hello.out

　　參數“-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; -mxxx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hello.out就可以在uClinux環境上運行。

　　需要注意的，uClinux采用的是精簡了的c程序庫uClibc,uClibc提供大多數的類UNIX的C程序調用。如果應用程序需要用到uClibc中沒有提供的函數，這些函數可以加到uClibc中、或者作為一個獨立的庫、或者加到應用程序上面來進鏈接。

　　uCLinux 對用戶程序采用靜態鏈接的形式，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的做法。

　　5.結論

　　本方討論了嵌入式linux-Uclinux的特點和Uclinux 開發環境的建立。并結合我的工作著重闡述了如何開發基于Uclinux的應用程序 ，這些技術幾乎都跟具體設備無關，可以就用于任何硬件設備，具有相當的通用性。