1、 嵌入式操作系统 uCLinux嵌入式操作系统 uCLinux嵌入式系统论文 嵌入式操作系统 uCLinux摘要: 本文将分析嵌入式操作系统 uClinux 的内核结构、内存管理、多进程处理、针对实时性的解决方案和开发环境，先对uCLinux 有一个深刻的认识，将有利于今后进一步研究开发。关键词: uCLinux，内存管理，多进程处理，RTLinux，开发环境1 引言嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，而且在同一个硬件平台上可以嵌入不同的嵌入式操作系统。比如 ARM7TDMI 内核，可以嵌入 Nucleus、Vx、RAM、FLASH 或 Disk On Chip 中启动。由于嵌入式 uClinu
2、x 操作系统的内核定制高度灵活性，开发者可以很容易地对其进行按需配置，来满足实际应用需要。又由于 uClinux 是源代码公开，因此开发人员只有了解内核原理就可以自己开发部分软件，例如增加各类驱动程序。下面将详细分析嵌入式操作系统 uClinux。2 嵌入式 uCinux 内核结构uClinux 内核结构如图 1 所示：图 1 代表了内核的功能结构，与 Linux 基本相同，不同的只是对内存管理和进程管理进行改写，以满足无 MMU 处理器的要求。uClinux 是 Linux 操作系统的一种，是由 Linux2.0 内核发展来的，是专为没有 MMU 的微处理器（如 ARM7TDMI、Coldf
3、ire 等）设计的嵌入式 Linux 操作系统。另外 ,由于大多数内核源代码都被重写，uClinux 的内核要比原 Linux 2.0 内核小的多, 但保留了 Linux 操作系统的主要优点：稳定性，优异的能力以及优秀的文件系统支持。3uClinux 的内存管理uClinux 同标准 Linux 的最大区别就在于内存管理。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，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uClinux 系统对于内存的访问是直接的，（它对地址的访问不需要经过 MMU，而是直接送到地址线上输出），所有程序中访问的地
4、址都是实际的 Gdb：调试器，可使用多种交叉调试方式，gdb-bdm（背景调试工具），gdbserver（使用以太调试）。2，Clinux 的打印终端通常情况下，uClinux 的默认终端是串口，内核在启动时所有的信息都打印到串口终端（使用 printk 函数打印），同时也可以通过串口终端与系统交互。uClinux 在启动时启动了 telnetd（远程登录服务），操作者可以远程登录上系统，从而控制系统的运行。至于是否允许远程登录可以通过烧写 romfs 文件系统时由用户决定是否启动远程登录服务。3，交叉编译调试工具支持一种新的处理器，必须具备一些编译，汇编工具，使用这些工具可以形成可运行于这种
5、处理器的二进制文件。对于内核使用的编译工具同应用程序使用的有所不同。在解释不同点之前，需要对gcc 连接做一些说明：ld（link description）文件：ld 文件是指出连接时内存映象格式的文件。crt0.S：应用程序编译连接时需要的启动文件，主要是初始化应用程序栈。pic：position independence code ，与位置无关的二进制格式文件，在程序段中必须包括 reloc 段，从而使的代码加载时可以进行重新定位。内核编译连接时，使用 ucsimm.ld 文件，形成可执行文件映象，所形成的代码段既可以使用间接寻址方式（即使用 reloc 段进行寻址），也可以使用绝对寻址方
6、式。这样可以给编译器更多的优化空间。因为内核可能使用绝对寻址，所以内核加载到的内存地址空间必须与 ld 文件中给定的内存空间完全相同。应用程序的连接与内核连接方式不同。应用程序由内核加载（可执行文件加载器将在后面讨论），由于应用程序的 ld 文件给出的内存空间与应用程序实际被加载的内存位置可能不同，这样在应用程序加载的过程中需要一个重新地位的过程，即对 reloc 段进行修正，使得程序进行间接寻址时不至于出错。（这个问题在 i386 等高级处理器上方法有所不同）。由上述讨论，至少需要两套编译连接工具：1）二进制工具（Binutils）GNU binutils 包包括了汇编工具、链接器和基本的目
7、标文件处理工具。对 binutils 包的设置定义了所需的目标文件的格式和字节顺序。Binutils 包种的工具都使用了二进制文件描述符（BFD）库来交换数据。通过设置文件 config.bfd，可以指定默认的二进制文件格式（例如 elf little endian）和任何工具可用的格式，见例 1。例 1 在 config.bfd 中添加的用来指定目标二进制格式的代码arm-*-uClinux* | armel-*-uClinux*tag_defvec=bfd_elf32_littlearm_vectarg_selvecs=”bfd_elf32_bigarm_vec armcoff_littl
8、e_vec armcoff_big_vec”2）C 编译器GNU 编译器集 GCC 是通过使用一种叫做“寄存器转换语言”（RTL）的方式实现的。假定现在有一种基本的机器描述性文件，它已经能满足大家的需要。现在要做的仅仅是设置默认情况下使用的参数和如何将文件组合成可执行文件的方式。GNU 的文档提供了所有必需的资料，使得用户可以为新型的处理器的指令集合提供支持。如果要针对体系的机器建立一个新的目标机器，那么就必须指定默认编译参数和定制系统的特定参数，见例 2。对于特定的目标系统，可以使用 TARGET_DEFAULT 宏来在 target.h 文件中定义编译器的开关。目标 t-makefile
9、段指定了应该构建哪一个额外的例程和其编译的方式。例 2 使用 uClinux-arm.h 来指定默认的编译参数undef TARGET_DEFAULT#define TARGET_DEFAULT(ARM_FLAG_APCS_32|ARM_FLAG_NO_GOT)4 可执行文件格式先对一些名词作一些说明：coff （common object file format）：一种通用的对象文件格式 elf（ excutive linked file）：一种为 Linux 系统所采用的通用文件格式，支持动态连接 flat：elf 格式有很大的文件头， flat 文件对文件头和一些段信息做了简化uClin
10、ux 系统使用 flat 可执行文件格式，gcc 的编译器不能直接形成这种文件格式，但是可以形成 coff 或 elf 格式的可执行文件，这两种文件需要 coff2flt 或 elf2flt 工具进行格式转化，形成 flat 文件。当用户执行一个应用时，内核的执行文件加载器将对 flat 文件进行进一步处理，主要是对 reloc 段进行修正。以下对 reloc 段进一步讨论。需要 reloc 段的根本原因是，程序在连接时连接器所假定的程序运行空间与实际程序加载到的内存空间不同。假如有这样一条指令：jsr app_start;这一条指令采用直接寻址，跳转到 app_start 地址处执行，连接程
11、序将在编译完成是计算出 app_start 的实际地址（设若实际地址为0x10000），这个实际地址是根据 ld 文件计算出来（因为连接器假定该程序将被加载到由 ld 文件指明的内存空间）。但实际上由于内存分配的关系，操作系统在加载时无法保证程序将按 ld 文件加载。这时如果程序仍然跳转到绝对地址 0x10000 处执行，通常情况这是不正确的。一个解决办法是增加一个存储空间，用于存储 app_start的实际地址，设若使用变量 addr 表示这个存储空间。则以上这句程序将改为：movl addr, a0;jsr (a0);增加的变量 addr 将在数据段中占用一个 4 字节的空间，连接器将 a
12、pp_start 的绝对地址存储到该变量。在可执行文件加载时，可执行文件加载器根据程序将要加载的内存空间计算出 app_start 在内存中的实际位置，写入 addr 变量。系统在实际处理时不需要知道这个变量的确切存储位置（也不可能知道），系统只要对整个 reloc 段进行处理就可以了（reloc 段有标识，系统可以读出来）。处理很简单，只需要对 reloc 段中存储的值统一加上一个偏置（如果加载的空间比预想的要靠前，实际上是减去一个偏移量）。偏置由实际的物理地址起始值同 ld 文件指定的地址起始值相减计算出。这种 reloc 的方式部分是由 uClinux 的内存分配问题引起的。7 总结以上主要阐述了嵌入式操作系统 uClinux 的内核结构、内存管理、多进程处理、针对实时性的解决方案和开发环境，先对uCLinux 有一个深刻的认识，将有利于今后进一步研究开发。
