嵌入式操作系統(tǒng)uCLinux
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可以通過定制使內(nèi)核小型化,還可以加上GUI(圖形用戶界面)和定制應(yīng)用程序,并將其放在ROM、RAM、FLASH或DiskOnChip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,開發(fā)者可以很容易地對(duì)其進(jìn)行按需配置,來滿足實(shí)際應(yīng)用需要。又由于uClinux是源代碼公開,因此開發(fā)人員只有了解內(nèi)核原理就可以自己開發(fā)部分軟件,例如增加各類驅(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,以滿足無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)展來的,是專為沒有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,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來說,其設(shè)計(jì)針對(duì)沒有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)存的訪問是直接的,（它對(duì)地址的訪問不需要經(jīng)過MMU,而是直接送到地址線上輸出）,所有程序中訪問的地址都是實(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。此外磁盤交換空間也是無法使用的,系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)如果缺少內(nèi)存將無法通過磁盤交換來得到改善。
uClinux對(duì)內(nèi)存的管理減少同時(shí)就給開發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點(diǎn)來說,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)核開始,開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(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。
