mClinux系统特点深入分析

 

　　本文将深入探讨mClinux特点，分析mClinux上的应用程序设计和标准Linux程序设计存在的区别，并对mClinux程序设计要点进行阐述。

　　mClinux与标准Linux

　　mClinux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MMU的微处理器或微控制器。有无MMU是mClinux与标准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mClinux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。mClinux仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时将实际存储器分页，在加载应用程序时分页加载。但是由于没有MMU管理，所以实际上mClinux采用实存储器管理策略。mClinux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，mClinux有着特别小的内核和用户软件空间。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mClinux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。

　　内存保护

　　没有内存保护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靠性;然而对于嵌入式mClinux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范围内。

　　虚拟内存

　　没有虚拟内存主要会导致下面几个结果：

　　首先，由内核所加载的进程必须能够独立运行，与其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，生成只使用相对寻址的代码(PIC)。mClinux对这两种模式都支持。

　　其次，要解决扁平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)来取代malloc()调用。由于mClinux中不使用虚拟内存，进出内存的页面交换也没有实现，因而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，mClinux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，最大的不同是没有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()使用copy-on-write页面实现。由于没有MMU，mClinux不能完整、可靠地复制一个进程，也没有对copy-on-write的存取。为了弥补这一缺陷，mClinux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exit()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。

　　但是，多任务并没有受影响。较早的广泛使用fork()的网络后台程序(daemon)需要修改;由于子进程运行在和父进程同样的地址空间内，在一些情况下，也需要修改两个进程的行为。

　　很多现代的程序依赖子进程来执行基本任务，使得即使在进程负载很重时，系统仍可以保持一种“可交互”的状态，这些程序可能需要实质上的修改来在mClinux下完成同样的任务。如果一个关键的应用程序非常依赖这样的结构，那就不得不对它重新编写了。

　　假设有一个简单的网络后台程序(daemon)，大量使用了fork()。这个daemon总监听一个知名端口(或套接字)等待网络客户端来连接。当客户端连接时，这个daemon给它一个新的连接信息(新的socket编号)，并调用fork()。子进程接下来就会和客户端在新的socket上进行连接，而父进程被释放，可以继续监听新的连接。

　　mClinux 既没有自动生长的堆栈，也没有brk()函数，这样，用户空间的程序必须使用mmap() 命令来分配内存。为了方便，在mClinux的C语言库中所实现的malloc()实质上就是一个mmap()。在编译时，可以指定程序的堆栈大小。