什么是uCLinux?

已成功使用uCLinux的案例

合肥華恒的基于coldfire 5272/5407的家庭網(wǎng)關(guān)Soho/Home/VPN Router、基于68EZ328的PDA開(kāi)發(fā)套件
Maple?信號(hào)處理公司基于DragonBallVZ和TMS320C541xx?DSP的DAQStick?系列嵌入式信號(hào)處理板卡
珠海萬(wàn)禾的基于VZ328的多串口設(shè)備Webport2000，基于68VZ328的PDA開(kāi)發(fā)套件
Lineo 公司的uCsimm、uCdimm開(kāi)發(fā)套件以及商業(yè)音樂(lè)媒體服務(wù)器BMMS－MP3.COM采用
西南交通大學(xué)電氣檢測(cè)與故障診斷信息研究室的嵌入式電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
NetSilicon公司 NET+Works設(shè)備網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(基于ARM7TDMI)－為Wireless Networks 公司的BlueLAN 提供接入點(diǎn)
東軟的智能家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品
愛(ài)立信的基于ARM7TDMI藍(lán)芽BLIP無(wú)線通信設(shè)備
基于ARM7TDMI的Aplio公司的voice-over-IP電話
AXIS公司的AXIS2001網(wǎng)絡(luò)數(shù)碼相機(jī)
Adomo公司的家庭機(jī)頂盒
Snapsear的VPN安全設(shè)備
瑞士洛桑的Smartdata公司的微型計(jì)算機(jī)Chipslice

uCLinux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使用的虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
?◇標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對(duì)有內(nèi)存管理單元的處理器設(shè)計(jì)的。虛擬地址被送到內(nèi)存管理單元（MMU），把虛擬地址映射為物理地址。采用分頁(yè)的方式來(lái)載入進(jìn)程。實(shí)際存儲(chǔ)器分割為相同大小的頁(yè)面。
◇虛擬存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)器管理機(jī)制及一個(gè)大容量的快速硬盤(pán)存儲(chǔ)器支持。它的實(shí)現(xiàn)基于局部性原理，當(dāng)一個(gè)程序在運(yùn)行之前，沒(méi)有必要全部裝入內(nèi)存，而是僅將那些當(dāng)前要運(yùn)行的那些部分頁(yè)面裝入內(nèi)存運(yùn)行（copy-on-write），其余暫時(shí)留在硬盤(pán)上程序運(yùn)行時(shí)如果它所要訪問(wèn)的頁(yè)已存在，則程序繼續(xù)運(yùn)行，如果發(fā)現(xiàn)不存在的頁(yè)，操作系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)頁(yè)失效異常，導(dǎo)致操作系統(tǒng)把需要運(yùn)行的部分加載到內(nèi)存中。必要時(shí)操作系統(tǒng)還可以把不需要的內(nèi)存頁(yè)交換到磁盤(pán)上。
?◇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(頁(yè)表)，還可支持不同任務(wù)之間的保護(hù)、共享等。
?◇對(duì)于多進(jìn)程管理當(dāng)處理器進(jìn)行進(jìn)程切換并執(zhí)行一個(gè)新任務(wù)時(shí)，一個(gè)重要部分就是為新任務(wù)切換頁(yè)表。

標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理功能??
◇可以運(yùn)行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動(dòng)的時(shí)間
??? ◇運(yùn)行比內(nèi)存還要大的程序。理想情況下應(yīng)該可以運(yùn)行任意大小的程序 ◇可以使多個(gè)程序同時(shí)駐留在內(nèi)存中提高CPU的利用率 ◇可以運(yùn)行重定位程序。即程序可以方于內(nèi)存中的任何一處，而且可以在執(zhí)行過(guò)程中移動(dòng) ◇寫(xiě)機(jī)器無(wú)關(guān)的代碼。程序不必事先約定機(jī)器的配置情況 ◇減輕程序員分配和管理內(nèi)存資源的負(fù)擔(dān)
???? ◇可以進(jìn)行程序代碼共享 ◇提供內(nèi)存保護(hù)，進(jìn)程不能以非授權(quán)方式訪問(wèn)或修改頁(yè)面，內(nèi)核保護(hù)單個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)和代碼以防止其它進(jìn)程修改它們。否則，用戶程序可能會(huì)偶然（或惡意）的破壞內(nèi)核或其它用戶程序
??? 代價(jià)：內(nèi)存管理需要地址轉(zhuǎn)換表和其他一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，留給程序的內(nèi)存減少了。地址轉(zhuǎn)換增加了每條指令的執(zhí)行時(shí)間，而對(duì)于有額外內(nèi)存操作的指令會(huì)更嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)不在內(nèi)存的頁(yè)面時(shí)，系統(tǒng)處理失效的磁盤(pán)I/O操作極耗時(shí)間。

uCLinux針對(duì)NOMMU的特殊處理
uClinux針對(duì)沒(méi)有MMU的處理器設(shè)計(jì)，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù),但出現(xiàn)簡(jiǎn)單和盡量靠攏標(biāo)準(zhǔn)Linux得需要，uClinux仍然沿用標(biāo)準(zhǔn)Linux的分頁(yè)內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)，但實(shí)際上采用的是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。
uClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，（它對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線上輸出），所有程序中訪問(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。由于程序加載地址與預(yù)期（ld文件中指出的）通常都不相同，這樣relocation過(guò)程就是必須的。
磁盤(pán)交換空間無(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)開(kāi)發(fā)人員提出的更高要求
從易用性來(lái)說(shuō)，uClinux的內(nèi)存管理實(shí)際上是一種倒退，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。
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)可連續(xù)地址分配內(nèi)存大小是受限的，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，
用戶程序同內(nèi)核以及其它用戶程序在一個(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。
從嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，嵌入式設(shè)備通常在某一特定的環(huán)境下運(yùn)行，只要實(shí)現(xiàn)特定的功能，其功能相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)存管理的要求完全可以由開(kāi)發(fā)人員考慮。

uCLinux內(nèi)核加載方式
?? uCLinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：可以在flash上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。后者可以減少內(nèi)存需要。 ??? Flash運(yùn)行方式(XIP)：把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫(xiě)到flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從flash的某個(gè)地址開(kāi)始逐句執(zhí)行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。 ??? 內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開(kāi)始執(zhí)行，這種方式相對(duì)復(fù)雜一些，但是運(yùn)行速度可能更快（RAM的存取速率要比Flash高）。

uCLinux根（root）文件系統(tǒng)
?? uCLinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間?？臻g的節(jié)約來(lái)自于兩個(gè)方面：首先內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼；其次romfs文件系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，在建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊（superblock）需要更少的存儲(chǔ)空間。Romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤(pán)/JFFS的方法進(jìn)行處理（ram盤(pán)將采用ext2文件系統(tǒng)）。

uCLinux應(yīng)用程序庫(kù)
uCLinux小型化的另一個(gè)做法是重寫(xiě)了應(yīng)用程序庫(kù)，相對(duì)于越來(lái)越大且越來(lái)越全的glibc庫(kù)，uClibc對(duì)libc做了精簡(jiǎn)。 http://uclibc.org/uClibc.html
uClibm數(shù)學(xué)庫(kù)
uCLinux對(duì)用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會(huì)使應(yīng)用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問(wèn)題，也就是基于沒(méi)有MMU的特性，只能這樣做，同時(shí)這種做法也更接近于通常嵌入式系統(tǒng)的做法。
標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)段，代碼段，堆和棧在虛存層面是連續(xù)的。堆向上增長(zhǎng)，棧向下增長(zhǎng)，在堆底和棧頂之間有256MB的內(nèi)存可供分配。uClinux采用了實(shí)內(nèi)存模式，各個(gè)內(nèi)存段在物理內(nèi)存層面是連續(xù)的，棧段在同數(shù)據(jù)段在一起，堆有系統(tǒng)內(nèi)存管理，所有進(jìn)程共享，由于內(nèi)存連續(xù)和保護(hù)的要求，棧段，數(shù)據(jù)段，代碼段都是在程序加載是分配。 這種內(nèi)存空間布局阻礙了動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的運(yùn)用。棧段的大小固定（在生成應(yīng)用時(shí)可以指定棧段大?。?，開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)時(shí)不得不使用一些方法估計(jì)判斷棧段的大小，使其即能滿足程序的需要，又不浪費(fèi)內(nèi)存。

?uClinux可執(zhí)行文件格式
? uCLinux系統(tǒng)使用flat可執(zhí)行文件格式，目前也支持elf文件格式。先解釋幾種可執(zhí)行文件格式。 　　coff（common object file format）：一種通用的對(duì)象文件格式； 　　elf（executive linked file）：一種為L(zhǎng)inux系統(tǒng)所采用的通用文件格式，支持動(dòng)態(tài)連接和重定位； 　　flat：elf格式有很大的文件頭，flat文件對(duì)文件頭和一些段信息做了簡(jiǎn)化，可執(zhí)行程序小。
? 當(dāng)用戶執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用時(shí)，內(nèi)核的執(zhí)行文件加載器將對(duì)flat文件進(jìn)行進(jìn)一步處理，主要是對(duì)reloc段進(jìn)行修正（詳見(jiàn)fs/binfmt_flat.c）。 需要reloc段的根本原因是，程序在連接時(shí)連接器所假定的程序運(yùn)行空間與實(shí)際程序加載到的內(nèi)存空間不同。假如有這樣一條指令： jsr app_start; 這一條指令采用直接尋址，跳轉(zhuǎn)到app_start地址處執(zhí)行，連接程序?qū)⒃诰幾g完成是計(jì)算出app_start的實(shí)際地址（設(shè)若實(shí)際地址為0x10000），這個(gè)實(shí)際地址是根據(jù)ld文件計(jì)算出來(lái)。但實(shí)際上由于內(nèi)存分配的關(guān)系，操作系統(tǒng)在加載時(shí)無(wú)法保證程序?qū)磍d文件加載。這時(shí)如果程序仍然跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址0x10000處執(zhí)行，通常情況這是不正確的。
?? 一個(gè)解決辦法是增加一個(gè)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)app_start的實(shí)際地址，設(shè)若使用變量addr表示這個(gè)存儲(chǔ)空間。則以上這句程序?qū)⒏臑椋?movl addr, a0;??? jsr (a0); 增加的變量addr將在數(shù)據(jù)段中占用一個(gè)4字節(jié)的空間，連接器將app_start的絕對(duì)地址存儲(chǔ)到該變量。在可執(zhí)行文件加載時(shí)，可執(zhí)行文件加載器根據(jù)程序?qū)⒁虞d的內(nèi)存空間計(jì)算出app_start在內(nèi)存中的實(shí)際位置，寫(xiě)入addr變量。系統(tǒng)在實(shí)際處理是不需要知道這個(gè)變量的確切存儲(chǔ)位置（也不可能知道），系統(tǒng)只要對(duì)整個(gè)reloc段進(jìn)行處理就可以了（reloc段有標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)可以讀出來(lái)）。處理很簡(jiǎn)單只需要對(duì)reloc段中存儲(chǔ)的值統(tǒng)一加上一個(gè)偏置（如果加載的空間比預(yù)想的要靠前，實(shí)際上是減去一個(gè)偏移量）。偏置由實(shí)際的物理地址起始值同ld文件指定的地址起始值相減計(jì)算出。

標(biāo)準(zhǔn)Linux 的多進(jìn)程管理
??? fork創(chuàng)建的進(jìn)程幾乎是父進(jìn)程的精確復(fù)制，從fork返回后，父子進(jìn)程執(zhí)行同樣的程序，有同樣的數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)，并從緊跟fork后的指令繼續(xù)執(zhí)行。
???? exec系統(tǒng)調(diào)用提供一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行另一個(gè)進(jìn)程的能力，exec系統(tǒng)調(diào)用是采用覆蓋舊有進(jìn)程存儲(chǔ)器內(nèi)容的方式，所以原來(lái)程序的堆棧、數(shù)據(jù)段與程序段都會(huì)被修改。 fork的優(yōu)化：
??? (1)COW (寫(xiě)時(shí)拷貝)，首先由System V使用。不進(jìn)行頁(yè)面復(fù)制，父子進(jìn)程共享頁(yè)面，頁(yè)面置為只讀，無(wú)論父進(jìn)程還是子進(jìn)程試圖修改頁(yè)時(shí)，發(fā)生頁(yè)失效，頁(yè)失效處理程序進(jìn)行頁(yè)面復(fù)制，并清除只讀標(biāo)志。
??? (2)BSD采用的vfork，多數(shù)程序調(diào)用完成fork后會(huì)馬上執(zhí)行exec，因此vfork不進(jìn)行頁(yè)面復(fù)制，父進(jìn)程將地址空間租界給子進(jìn)程，并將自己阻塞，直到子進(jìn)程將地址空間還給它。因此，子進(jìn)程會(huì)一直使用父進(jìn)程的地址空間直到它調(diào)用exec或exit，內(nèi)核再將地址空間返回給父進(jìn)程并喚醒它。fork非常快，甚至無(wú)需拷貝頁(yè)表。它允許一個(gè)進(jìn)程使用修改另一進(jìn)程的地址空間。
?? uClinux NOMMU 但支持多進(jìn)程
?? MMU不是支持多進(jìn)程的必要條件，只是更好的支持了多進(jìn)程操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
?? uClinux沒(méi)有MMU管理存儲(chǔ)器，不支持COW的機(jī)制，因此fork 的優(yōu)化只有采用vfork這一途徑，并且由于不支持虛擬地址空間，簡(jiǎn)單復(fù)制的fork實(shí)現(xiàn)也必須修正reloc段。 最終，uClinux的fork/vfork都用vfork實(shí)現(xiàn)。子進(jìn)程要么代替父進(jìn)程執(zhí)行（此時(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep）直到子進(jìn)程調(diào)用exit退出，要么調(diào)用exec執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載，即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)過(guò)程也不能避免。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exit或exec后，子進(jìn)程使用wakeup把父進(jìn)程喚醒，父進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

??? 經(jīng)過(guò)如上各方面的小型化改造，就形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uCLinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。它的主要特征如下： 　　●通用Linux API 　　●內(nèi)核體積 ＜ 512 KB 　　●內(nèi)核 +文件系統(tǒng)＜900 KB 　　●完整的TCP/IP 協(xié)議棧 　　●支持大量其它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 　　●支持各種文件系統(tǒng)，包括 NFS、ext2、ROMfs and JFFS、MS-DOS和FAT16/32

?uClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　基于uCLinux的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)板和宿主PC機(jī)所構(gòu)成。硬件開(kāi)發(fā)板用于操作系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的運(yùn)行，而操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯、應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試則需要借助宿主PC機(jī)來(lái)完成。雙方之間一般通過(guò)串口建立連接關(guān)系。 建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境 　　在軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境建立方面，由于uCLinux及相關(guān)工具集都是開(kāi)放源碼的項(xiàng)目，所以大多數(shù)軟件都可以從網(wǎng)絡(luò)上下載獲得。首先要在宿主機(jī)上安裝標(biāo)準(zhǔn)Linux發(fā)行版，比如Red-Hat Linux，接下來(lái)就可以建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。 　　1.安裝交叉編譯工具 　　針對(duì)uCLinux目前有兩套編譯工具：m68k-coff和m68k-elf，它們都是GNU組織開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀的編譯器GCC的不同應(yīng)用版本。它們的區(qū)別在于形成最終flat目標(biāo)碼之前的中間代碼格式分別是coff和elf類(lèi)型。elf格式的編譯器比coff格式的編譯器有許多優(yōu)越性，建議使用m68k-elf交叉編譯器。編譯工具包中除了交叉編譯器以外，還有鏈接器（ld）、匯編器（as）以及一些為了方便開(kāi)發(fā)的二進(jìn)制處理工具，包括生成靜態(tài)庫(kù)工具（ar、ranlib）、二進(jìn)制碼察看工具（nm、size）、二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換工具（objcopy）。這些都要安裝在宿主機(jī)上。
????????? 2.安裝uCLinux內(nèi)核 　　利用已安裝的交叉編譯器編譯生成運(yùn)行與目標(biāo)機(jī)上的uCLinux內(nèi)核。與標(biāo)準(zhǔn)Linux相同的是，uCLinux內(nèi)核可以以配置的方式選擇需要安裝的模塊，而增加系統(tǒng)的靈活性。 　　3.安裝應(yīng)用程序庫(kù) 　　用交叉編譯器編譯uC-libc和uC-libm源碼，生成libc.a應(yīng)用程序庫(kù)和libm.a數(shù)學(xué)庫(kù)。 　　4.安裝其他工具 　　用GCC編譯elf2flt源碼，生成格式轉(zhuǎn)換工具elf2flt。用GCC編譯genromfs源碼，得到生成romfs工具genromfs。 　　經(jīng)過(guò)以上的準(zhǔn)備工作之后，下面要針對(duì)特定應(yīng)用所需要的設(shè)備編寫(xiě)或改造設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。有一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)，uCLinux本身就已經(jīng)具有。即便沒(méi)有，因?yàn)閡CLinux開(kāi)放源碼的特性，用戶也可以很方便地把自己的驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核。如果用戶對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，特別是硬實(shí)時(shí)有特殊的要求，uCLinux可以加入RT-Linux的實(shí)時(shí)模塊。完成這些工作，一個(gè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)就已經(jīng)搭建好了，在此之上，根據(jù)不同需要可以開(kāi)發(fā)不同的嵌入式應(yīng)用。