????　1.Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)

　　uClinux這個(gè)英文單詞u 中的表示小Micro. 小的意思,C表示Control,控制的 意思.所以u(píng)Clinux就 是Micro-control-Linux,字面上的理解就是針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng).

　　uClinux以其優(yōu)異的性能、免費(fèi)開(kāi)放的代碼等優(yōu)點(diǎn)，博得眾多嵌入式開(kāi)發(fā)者的青睞，和過(guò)去基于簡(jiǎn)單RTOS甚至沒(méi)有使用任何操作系統(tǒng)的嵌入式程序設(shè)計(jì)相比，基于Linux這樣的成熟的，高效的、健壯的、可靠的、模塊化的、易于配置的操作系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序，無(wú)疑能進(jìn)一提高效率，并具有很好的可移植性。基于UCLINUX的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及到三個(gè)方面：開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立，配置UCLINUX內(nèi)核和bootloader以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，本文將從這幾個(gè)方面來(lái)闡述的基于UCLINUX的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　2.開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

　　開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立也就是工具鏈，設(shè)置工具鏈在主機(jī)機(jī)器上創(chuàng)建一個(gè)用于編譯將在目標(biāo)上運(yùn)行的內(nèi)核和應(yīng)用程序的構(gòu)建環(huán)境?這是因?yàn)槟繕?biāo)硬件可能沒(méi)有與主機(jī)兼容的二進(jìn)制執(zhí)行級(jí)別。包括Gcc:編譯器，可以做成交駐編譯的形式，即在宿主機(jī)上開(kāi)發(fā)編譯目標(biāo)上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件。Binutils:一些畏助工具，包括objdump(可以反編譯二進(jìn)制文件)，as(匯編編譯器)，id(連接器)等等。

　　Gdb:調(diào)試器，可使用多種交叉方式，gdb-bdm(背景調(diào)試工具),gdbserver(使用以太網(wǎng)絡(luò)調(diào)試)。Glibc-所有用戶應(yīng)用程序都將鏈接到的C庫(kù)。避免使用任何C庫(kù)函數(shù)的內(nèi)核 和其它應(yīng)用程序可以沒(méi)有該庫(kù)的情況下進(jìn)行編譯。

　　構(gòu)建在工具鏈建立了一個(gè)交叉編譯器環(huán)境。本地編譯器編譯與本機(jī)同類的處理器的指令。交叉編譯器運(yùn)行在某一種處理器上。卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設(shè)置交叉編譯器工具鏈可不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的的任務(wù)：它包括下載源代碼、修補(bǔ)補(bǔ)丁，配置、編譯、設(shè)置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這一個(gè)徹底的的構(gòu)建過(guò)內(nèi)存和硬盤(pán)的需求是巨大的。如果沒(méi)有足夠的內(nèi)存和硬盤(pán)空間。在構(gòu)建除段由于相關(guān)性、配置或頭文件設(shè)置等問(wèn)題會(huì)突然冒出許多問(wèn)題。

　　因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預(yù)編譯的二進(jìn)制文件是一件好事但不太好的一點(diǎn)是，目前它們大多 只限于基于ARM的系統(tǒng)。但遲早會(huì)改變的)。

　　3.配置UCLINUX內(nèi)核和bootloader

　　配置內(nèi)核 的命令是make menuconfig,會(huì)列出一些選項(xiàng)。根據(jù)你的硬件相應(yīng)選取就行了。然后保存，退出，運(yùn)行make dep，然后再make一下，會(huì)生成四個(gè)文件。

　　1.image.glf:ELF格式含 調(diào) 試信息和romfs的uClinux,可以用gdb裝載調(diào)試運(yùn)行

　　2.romfs.ing:romfs的二進(jìn)制文件

　　3.linux.bin:不含romfs的uclinux二進(jìn)制文件

　　image.bin:linux.bin和romfs.bin合并而成，并多了4個(gè)字的校驗(yàn)，這個(gè)文件的內(nèi)容拷貝到ram里后就可以直接從入口運(yùn)行了。

　　Bootloader的任務(wù)是初始化芯片和板子，用得比較多的有Blob、Redboot和Bootldr,如果是買(mǎi)的開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)商會(huì)附送bootloader程序，但發(fā)如果是自己做的板子就麻煩一些，需要根據(jù)硬件修bootloader源碼，然后用前面說(shuō)的交叉編譯成二進(jìn)制文件(筆者經(jīng)常用redboot,就是redboot.bin),用燒寫(xiě)器燒寫(xiě)的flash里啟動(dòng)板子。

　　4、 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　我們知道，在主流的Linux平臺(tái)上，已經(jīng)有了非常豐富的、開(kāi)源應(yīng)用程序，使得開(kāi)發(fā)者很容易獲得前人的成果作為參考 ，編寫(xiě)更適合自己的程序。然而，對(duì)于很多已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)Linux環(huán)境中工作得很好的程序，并不能直接在uClinux環(huán)境上運(yùn)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(jié)構(gòu)上的差導(dǎo)致uClinux上運(yùn)行和的程序需要專門(mén)為該類型處理器交叉編譯產(chǎn)生：另一方面uCLinux是為了沒(méi)有內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器、控制器設(shè)計(jì)，并做了較大幅度的精簡(jiǎn)，所以，在標(biāo)準(zhǔn)Linux上可以作用的一些函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用在uCLinux上有可能就行不通了。

　　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，把虛擬地址映射為物理地址。通過(guò)賦予每個(gè)任務(wù)不同的虛擬一物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。

　　對(duì)uCLinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)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仍然采用存儲(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(méi)有MMU管理，所以實(shí)際上uCLinux采用實(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。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)成倍存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。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。

　　同時(shí)，uClinux有著特別小的內(nèi)核和用戶軟件空間。熟悉主流Linux的開(kāi)發(fā)者會(huì)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(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)核或系統(tǒng)空間的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者，要特點(diǎn)注意uClinux既沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)，也沒(méi)有虛擬內(nèi)存模型，另外，有些內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用也有差異。

　　沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)(Memory Protection)的操作會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果：即使由無(wú)特權(quán)的進(jìn)程來(lái)調(diào)用一個(gè)無(wú)效指針，也會(huì)觸發(fā)一個(gè)地址錯(cuò)誤，并潛在引起程序崩潰，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的掛起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運(yùn)行的代碼必須仔細(xì)編程，并深入測(cè)試來(lái)確保健壯性和安全。

　　對(duì)于普通的Linux來(lái)說(shuō)，需要運(yùn)行不同的用戶程序，如果沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)將大大降低系統(tǒng)的安全性和可靠性：然后對(duì)嵌入式uClinux系統(tǒng)而言，由于所運(yùn)行的程序往往是在出廠前已經(jīng)固化的，不存在危害系統(tǒng)安全的程序侵入的隱患，因此只要應(yīng)用程序經(jīng)過(guò)較完整的測(cè)試，出現(xiàn)問(wèn)題的概率就可以控制在有限的范圍內(nèi)。沒(méi)有虛擬內(nèi)存(Virtual Memory)主要導(dǎo)致下面幾個(gè)后果： 首先，由內(nèi)核所加載的進(jìn)程必須能夠獨(dú)立運(yùn)行，與它們?cè)趦?nèi)存中的位置無(wú)關(guān)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一種辦法是一旦程序被加載到RAM中，那么程序的基準(zhǔn)地址就“固定”下來(lái)：另一種辦法是產(chǎn)生只使用相對(duì)尋址的代碼(稱為“位置無(wú)關(guān)代碼”，Position Independent Code，簡(jiǎn)稱PIC)。uClinux 對(duì)這兩種模式都支持。

　　其次，要解決在扁平(flat)的內(nèi)存模型中的內(nèi)存分配和問(wèn)題。非常動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配會(huì)造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對(duì)于使用了動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配的那些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)健壯性的一種辦法是用預(yù)分配緩沖區(qū)池(Prelllocated buffer pool)的辦法來(lái)取代malloc()調(diào)用。由于uClinux中不使用虛擬內(nèi)存，進(jìn)出內(nèi)存的頁(yè)面交換也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，，因?yàn)椴荒鼙ＷC頁(yè)面會(huì)被加載到RAM中的同樣位置。要普通計(jì)算機(jī)上，操作系統(tǒng)允許應(yīng)用程序使用比物理內(nèi)存(RAM)更大的內(nèi)存空間，這往往是通過(guò)在硬盤(pán)上設(shè)立交換分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用FLASH存儲(chǔ)器來(lái)代替硬盤(pán)，很難高效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)存頁(yè)面交換的存取，因此，對(duì)運(yùn)行的應(yīng)用程序都限制其可分配空間不大于系統(tǒng)的RAM空間。最后，uClinux目標(biāo)處理器缺乏內(nèi)存管理的硬件單元，使得Linux的系統(tǒng)接口需要作些改變，有可能最大的不同就是沒(méi)有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用fork()將復(fù)制出進(jìn)程來(lái)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁(yè)面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于沒(méi)有MMU，uClinux不能完整、可靠村地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程。也沒(méi)有對(duì)copy-on-write的存取。為了彌補(bǔ)這一缺陷，uClinux實(shí)現(xiàn)了發(fā)vfok(),當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用vfork()來(lái)創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，兩個(gè)進(jìn)程共享它們的全部?jī)?nèi)存空間，包括堆棧。 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exitI()退出，要么調(diào)用eexec()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。注意，多任務(wù)并沒(méi)有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)程序(daemon)的確是需要修改的。由于子進(jìn)程運(yùn)行在和父進(jìn)程同親的地址空間內(nèi)，在一些情況下，也需要修改兩個(gè)進(jìn)程的行為。很多現(xiàn)代的程序依賴子進(jìn)程業(yè)執(zhí)行基本任務(wù)，使得即時(shí)進(jìn)程負(fù)載很重時(shí)，系統(tǒng)仍可以保持一種“可交互”的狀態(tài)，這些程序可能需要實(shí)質(zhì)上的修改來(lái)在uClinux下完成同樣的任務(wù)。如果一個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用程序非常依賴這樣的結(jié)構(gòu)，那就不得不對(duì)它重新編寫(xiě)了。

　　假設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)程序(daemon),大量使用了fork()。這個(gè)daemon總監(jiān)聽(tīng)一個(gè)知名端口或套接字)等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來(lái)連接。當(dāng)客戶端連接時(shí)。這個(gè)daemon給它一個(gè)新的連接信息(新的socket編號(hào))，并調(diào)用fork()。子進(jìn)程接下來(lái)就會(huì)和客戶端在新的socket上進(jìn)行連接。而父進(jìn)程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)新的連接。

　　uClinux既沒(méi)有自動(dòng)生長(zhǎng)的堆棧，也沒(méi)有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap()命令來(lái)分配內(nèi)存。為了方便，在uClinux的C語(yǔ)言庫(kù)中所實(shí)現(xiàn)的malloc()實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)mmap().在編譯時(shí)，可以指定程序的堆棧大小。其實(shí)，除了一些設(shè)計(jì)內(nèi)存和系統(tǒng)調(diào)用的程序之外，在x86版本的gcc編譯器下編譯通過(guò)的軟件通常不需要做大的改動(dòng)就可以用交叉編譯到uClinux上運(yùn)行。如編譯heelo. xxx-elf-gcc-Wall ?elf2flt-mxxx hello.c-lc-0hello.out

　　參數(shù)“-Wall”指定產(chǎn)生全部的警告;-elf2flt指定自動(dòng)調(diào)用elf轉(zhuǎn)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(huán)境上運(yùn)行。

　　需要注意的，uClinux采用的是精簡(jiǎn)了的c程序庫(kù)uClibc,uClibc提供大多數(shù)的類UNIX的C程序調(diào)用。如果應(yīng)用程序需要用到uClibc中沒(méi)有提供的函數(shù)，這些函數(shù)可以加到uClibc中、或者作為一個(gè)獨(dú)立的庫(kù)、或者加到應(yīng)用程序上面來(lái)進(jìn)鏈接。

　　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。

　　5.結(jié)論

　　本方討論了嵌入式linux-Uclinux的特點(diǎn)和Uclinux 開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立。并結(jié)合我的工作著重闡述了如何開(kāi)發(fā)基于Uclinux的應(yīng)用程序 ，這些技術(shù)幾乎都跟具體設(shè)備無(wú)關(guān)，可以就用于任何硬件設(shè)備，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴?/p>