轻松控制uClinux嵌入式开发过程一(图)

　　uClinux是目前比较普及的嵌入式Linux版本之一，它的功能很多，并且随着低成本、可运行uClinux的32位CPU的激增，以及uClinux首次成为Linux 2.6内核的一部分，uClinux将更加流行（如图1）。下面讨论一下开发者使用uClinux时如何控制开发过程，以及将会遇到的与普通Linux的不同之处。
　　
　　图1 uClinux运行在Palm上
　　
　　应用无内存管理
　　
　　uClinux与普通Linux系统的主要区别就是它没有内存管理。在普通Linux下，通过使用虚拟内存（VM）来实现内存管理。虚拟内存一般是通过内存管理单元（Memory Management Unit，简称MMU）来实现，而在uClinux的世界里，经常可以看到“NOMMU”这个词。
　　
　　在有虚拟内存的情况下，所有的进程都在相同的地址空间运行，由虚拟内存系统处理虚拟内存到物理内存的映射。因此，即使进程看到的虚拟内存是连续的，它所占的物理内存也可能是分散的，有的甚至被交换到了硬盘。因为物理内存能映射到进程地址空间的任何位置，所以这种环境下能够向正在运行的进程添加内存。
　　
　　在没有虚拟内存的情况下，每个进程必须被分配到固定的内存位置。由于一个进程的上、下（内存位置）都可能有别的进程在运行，所以它通常不能动态扩展内存。这就是说，在uClinux下运行的进程不能在运行过程中动态增加可用内存，这与传统Linux下的情况有所不同。
　　
　　对于uClinux开发者来说，分配内存是一个棘手的问题，并且由于没有任何形式的内存保护，任何应用程序或内核都可能破坏系统。更为糟糕的是，无意识的误操作不会引人注意，造成要跟踪随机的、进程间的破坏非常困难。但是这些缺陷对于uClinux来说几乎不算问题，这是因为使用uClinux的系统一般没有硬盘驱动器和足够的内存，完全没有必要做复杂的管理和交换。
　　
　　做足内存映射
　　
　　对于内核开发者，uClinux与普通Linux区别很小。惟一真正会遇到的问题是uClinux内核开发者不能利用MMU提供的分页支持，比如，依赖虚拟内存的tmpfs文件系统在uClinux下就不起作用。类似的，普通Linux下的标准可执行文件格式uClinux都不支持，因为它们都要利用虚拟内存的特性。uClinux需要一种新的格式——Flat，它是一种压缩的可执行文件格式，只保存可执行的代码和数据，以及将可执行程序装载到内存时所需要的重定位信息。
　　
　　理解uClinux内核中内存映射的实现方式也是很有必要的，因为有些方式在uClinux系统上行不通，理解内存映射的实现后可以避免使用这些方式。uClinux要求内存映射能够直接在文件系统中指到文件，从而保证它是顺序的和连续的，否则就必须事先为文件分配好内存，并把数据拷贝到分配给它的内存块上。
　　
　　因此，uClinux下有效内存映射的用法要素非常明确：首先，当前惟一能够保证文件连续存储的文件系统是ROM文件系统（Romfs），所以必须使用Romfs来避免传统内存分配；其次，只有只读的内存映射能够被共享，也就是说，为了避免传统内存分配，映射必须是只读的。由于这些原因，uClinux下的开发者不能利用“Copy-on-Write”特性。
　　
　　要将设备驱动程序移植到uClinux环境，需要做一些修改，这并不是因为内核上的区别，而是由于与硬件细节相关部分有所不同造成的。比如，普通Linux下，SMC网络驱动程序可以支持ISA SMC卡。该驱动程序是16位的，并且一般都分配到0x3ff以下的I/O地址空间。
　　
　　但是用来支持SMC卡的非ISA嵌入式版本，驱动程序要求运行在8位、16位或32位模式下都是可能的，并且在满32位的I/O地址中，中断号一般要高于ISA的最大值16。所以，与硬件细节相关的部分可能还是要做一些移植工作。
　　
　　恰当的内存分配
　　
　　uClinux除了提供跟普通Linux一样的内存分配器之外，还提供另一个可选的。普通Linux中缺省的内存分配器是使用“2的幂”的分配方法，这样可以快速找到符合要求的内存区域。不幸的是，在uClinux下这种方法可能会带来令人痛苦的结果。
　　
　　为了理解这一问题带来的结果，尤其是大的内存分配，我们举例说明。试想一个应用程序要求33KB的内存空间进行装载。如果使用“2的幂”的分配方法，就必须分配64KB（2的6次方）内存空间，多余的31KB内存空间不能被利用上。在uClinux中，这种浪费是不能接受的。为了解决这个问题，专门为uClinux内核设计了可选的内存分配器。不同的内核版本，这个可选的内存分配器不同，一般是page_alloc2和kmalloc2。
　　
　　page_alloc2能解决缺省的分配方法造成的浪费问题。虽然它也是使用“2的幂”的分配方法，但它是按页（每页4096字节，即4KB）分配的，分配的内存大小如果已经满足了要求，则只是将当前的一页分配出去，其它的就不再分配。在前面的例子中，如果使用这种方法，就只是分配36KB（≥33KB，且为整页）即可，这样就能节省28KB的空间。
　　
　　page_alloc2还采取了一些避免内存碎片的方法。它将所有的两页（8KB）或更少的内存需求从空闲内存开始部分向上分配，所有大的内存需求从剩余内存的末尾部分开始向下分配。这样防止了网络缓存等的临时分配，避免了内存碎片的出现。
　　
　　一旦开发者理解了内核内存分配的区别，应用程序中就会出现变化。
　　
　　1.没有动态栈的问题
　　
　　在使用虚拟内存的Linux上，当一个应用程序试图冲销栈顶单元时，会被标记异常，同时系统会映射新的内存到栈顶以便让栈增长。在uClinux下，由于必须在编译阶段给栈分配好内存，所以不会有这样的增长。当出现莫名其妙的崩溃或者新移植的应用程序出现怪异行为时，开发者首先应该考虑到的是给栈分配的内存大小问题。缺省情况下，uClinux为栈分配4KB的内存空间，开发者可以用下面提到的方法之一来增加栈的空间。
　　
　　◆ 应用程序build之前
　　
　　应用程序build之前，可以在Makefile文件中增加以下两行代码：
　　
　　FLTFLAGS = -s
　　export FLTFLAGS
　　
　　◆ 应用程序build之后
　　
　　应用程序build之后，可以运行以下命令：
　　
　　flthdr -s executable
　　
　　其中，stacksize 就是为栈增加的内存空间。
　　
　　2.没有动态堆的问题
　　
　　堆是C语言中malloc及相关函数分配内存的区域。在有虚拟内存的Linux上，应用程序可能通过动态堆在运行过程中改变进程的大小。这个功能是通过在底层使用sbrk()和brk()系统调用来实现的。sbrk()是在进程的末尾增加内存空间，所以调用sbrk()能够使应用程序获得额外的内存。
　　
　　brk()可以把任意位置设置为进程空间的末尾，因此，可以通过调用brk()减少或增加内存空间的占用。由于uClinux不能实现brk()和sbrk()，它采用了一个全局的内存池，就是内核的空闲内存池。使用全局内存池的方法有一些优点。