uClinux和Linux的异同 -嵌入式

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uCLinux是针对控制领域的嵌入式linux操作系统，它从Linux 2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元(MMU)的微处理器/微控制器。没有MMU支持是uClinux与主流Linux的基本差异。 　　标准Linux是针对有MMU的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被送到MMU，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟－物理地址转换映射，支持不同任务之间的保护。　　对uCLinux 来说，其设计针对没有MMU的处理器，不能使用处理器的虚拟内存管理技术。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。但是由于没有MMU管理，所以实际上uCLinux采用实存储器管理策略。uCLinux系统对于内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。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。　　同时，uClinux有着特别小的内核和用户软件空间。熟悉主流Linux的开发者会注意到在 uClinux下工作的微小差异，但同样也可以很快熟悉uclinux的一些特性。对于设计内核或系统空间的应用程序的开发者，要特别注意uClinux 既没有内存保护，也没有虚拟内存模型，另外，有些内核系统调用也有差异。　　1.1 内存保护　　没有内存保护(Memory Protection)的操作会导致这样的结果：即使由无特权的进程来调用一个无效指针，也会触发一个地址错误，并潜在地引起程序崩溃，甚至导致系统的挂起。显然，在这样的系统上运行的代码必须仔细编程，并深入测试来确保健壮性和安全。　　对于普通的Linux来说，需要运行不同的用户程序，如果没有内存保护将大大降低系统的安全性和可*性；然而对于嵌入式uClinux系统而言，由于所运行的程序往往是在出厂前已经固化的，不存在危害系统安全的程序侵入的隐患，因此只要应用程序经过较完整的测试，出现问题的概率就可以控制在有限的范围内。　　1.2 虚拟内存　　没有虚拟内存(Virtual Memory)主要导致下面几个后果：　　首先，由内核所加载的进程必须能够独立运行，与它们在内存中的位置无关。实现这一目标的第一种办法是一旦程序被加载到RAM中，那么程序的基准地址就“固定”下来；另一种办法是产生只使用相对寻址的代码（称为“位置无关代码”，Position Independent Code，简称PIC）。uClinux对这两种模式都支持。　　其次，要解决在扁平(flat)的内存模型中的内存分配和释放问题。非常动态的内存分配会造成内存碎片，并可能耗尽系统的资源。对于使用了动态内存分配的那些应用程序来说，增强健壮性的一种办法是用预分配缓冲区池(Preallocated buffer pool)的办法来取代malloc()调用。　　由于uclinux中不使用虚拟内存，进出内存的页面交换也没有实现，因为不能保证页面会被加载到RAM中的同样位置。在普通计算机上，操作系统允许应用程序使用比物理内存(RAM)更大的内存空间，这往往是通过在硬盘上设立交换分区来实现的。但是，在嵌入式系统中，通常都用FLASH存储器来代替硬盘，很难高效地实现内存页面交换的存取，因此，对运行的应用程序都限制其可分配空间不大于系统的RAM空间。　　最后，uClinux目标板处理器缺乏内存管理的硬件单元，使得Linux的系统接口需要作些改变。有可能最大的不同就是没有fork()和brk()系统调用。调用fork()将复制出进程来创建一个子进程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write页面来实现的。由于没有MMU， uclinux不能完整、可*地复制一个进程，也没有对copy-on-write的存取。为了弥补这一缺陷，uClinux实现了vfork()，当父进程调用vfork()来创建子进程时，两个进程共享它们的全部内存空间，包括堆栈。子进程要么代替父进程执行（此时父进程已经sleep）直到子进程调用exitI()退出，要么调用exec()执行一个新的进程，这个时候将产生可执行文件的加载。即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不能避免。当子进程执行exit()或exec()后，子进程使用wakeup把父进程唤醒，父进程继续往下执行。由于Linux和UNIX相似，是多用户、多任务的操作系统，内核必须采取特殊的防范措施，以保证同一系统内来自不同用户的上千个操作正确安全地运行。UNIX的安全模型（即Linux之前的设计）能够保护每个用户操作的自身环境和地址空间。每个用户操作都受到保护，防止被其它用户唤醒，而且，虚拟内存(VM)系统对现代CPU还有另外的要求，比如在个人处理内存中实现动态内存分配和随机内存区域规划。有一些设备，如Blackfin 处理器，没有提供全功能的MMU内存管理单元，因为开发者的应用程序并不使用操作系统，通常也不需要MMU，而且，Blackfin的弱MMU的处理器往往具有更高的效率，其价格也明显低于其它产品。 为使Linux与这些设备相适应，必须进行一些改动： 1. 没有实际的存储器保护(一个错误的环节可以让整个系统停机) 2. 没有交叉（fork）系统调用 3. 只有简单的内存分配 4. 其它一些较小的区别 存储器保护对大多数嵌入式系统来说不是很大的问题。Linux是一个很稳定的平台，尤其是在嵌入式系统中，软件崩溃的情况很少发生。 第二点的问题要大一些。在为UNIX和Linux编写的软件中，开发者常常使用fork系统调用来实现并行处理，fork调用可以准确拷贝原始程序并同时予以执行。为了提高效率，它使用MMU将父程序映射到子程序，并只拷贝写入子程序的内存区。因此uClinux不能提供fork系统调用。它提供vfork，一种特殊版本的fork，在vfork程序中当子程序执行时父程序即会终止。 因此，使用fork系统的软件在使用uClinux支持的vfork或线程时必须重写，因为他们使用相同的内存空间，包括堆栈。 就第三点来说 ，一般情况下支持uClinux的malloc系统不会有问题，但是，有些时候必须进行小的调整。大部分适用于UNIX和uClinux的软件能够直接在uClinux上编译，其它的则可使用微小的移植或调整（tweaking）。 只有很少的应用软件不能在uClinux上运行，其中大部分不能作为嵌入式应用软件。