低固存嵌入式系統(tǒng)的uClinux小型化方法

在許多嵌入式系統(tǒng)中，往往只有低容量的固存，比如MCF5282芯片內(nèi)只有512k FLASH，而有些微處理器固存可能更低。在不外擴(kuò)固存容量，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下，特別是在干擾源嚴(yán)重的工控環(huán)境下，采用短小、精煉的嵌入式操作系統(tǒng)將具有非常大的實(shí)用意義。文中以下內(nèi)容將針對(duì)低固存嵌入式系統(tǒng)，討論uClinux的幾種特殊簡化方法，應(yīng)用這些方法，將非常有助于開發(fā)者開發(fā)出適合于自已的嵌入式系統(tǒng)。

　　1 內(nèi)核移植

　　移植前首先要搭建交叉編譯平臺(tái)，安裝交叉編譯工具鏈，包括GCC，Binutils，uClibc。準(zhǔn)備就緒后即可開始進(jìn)行移植操作，移植過程中最大困難是如何減小uClinux系統(tǒng)的大小。為此文中從以下兩個(gè)方面著手：內(nèi)核配置級(jí)裁剪和內(nèi)核源代碼級(jí)裁剪。

　　1.1 內(nèi)核配置級(jí)裁剪

　　Linux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計(jì)，即很多功能塊可以獨(dú)立地加上或卸下，開發(fā)人員在設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)把這些內(nèi)核模塊作為可選的選項(xiàng)，可以在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)指定。因此一種較通用的做法是對(duì)Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時(shí)仔細(xì)地選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能支持模塊，同時(shí)刪除不需要的功能。通過對(duì)內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運(yùn)行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減資源使用量。對(duì)于內(nèi)核中不支持的設(shè)備，可以自已編制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后添加進(jìn)內(nèi)核。配置完內(nèi)核，接下來需要對(duì)內(nèi)核源代碼文件的依賴性和完整性進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行編譯。

　　1.2 內(nèi)核源代碼級(jí)裁剪

　　Linux核心包括：進(jìn)程管理模塊、內(nèi)存管理模塊、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊。在內(nèi)核中文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序占了大比重，約1/3以上，所以去除不必要的文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?huì)使內(nèi)核大小有較大范圍的縮減，這已在上一步驟中實(shí)現(xiàn)。所以文件系統(tǒng)的裁剪是重中之重?？紤]到制作整個(gè)根文件系統(tǒng)的高昂代價(jià)，約有700kbyte大小，而一般嵌入式微處理器的FLASH一般小于512kbyte，根本就不可能固化，所以為了縮減系統(tǒng)的大小必須刪除根文件系統(tǒng)，同時(shí)也導(dǎo)致內(nèi)核與應(yīng)用程序必須一體化。要?jiǎng)h除根文件系統(tǒng)，并不是簡單刪除源代碼，而是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的宏大工程。整個(gè)系統(tǒng)的框架如圖1所示。

　　

 

　　在本系統(tǒng)中刪除了根文件系統(tǒng)，但仍保留VFS，主要保持VFS向上層提供統(tǒng)一接口，隱藏下層具體細(xì)節(jié)等作用，方便開發(fā)應(yīng)用程序。同時(shí)針對(duì)文件規(guī)模小、數(shù)量少的嵌入式系統(tǒng)VFS在這里要減小它的規(guī)模和簡化它的功能。規(guī)模的減小工作主要靠刪除在嵌入式設(shè)備不支持的物理文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及其系統(tǒng)調(diào)用的源碼。功能的簡化主要靠簡化部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)用，這樣可以進(jìn)一步使系統(tǒng)規(guī)模精簡。ReFS文件系統(tǒng)，是根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特性開發(fā)的一種新的文件系統(tǒng)。具體參見第3節(jié)新型文件系統(tǒng)(ReFS)開發(fā)。

　　由于根文件系統(tǒng)的缺失帶來一些重大影響，分析如下。

　　 [!--empirenews.page--]1.2.1 對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的影響

 

　　系統(tǒng)調(diào)用約有177個(gè)，包括關(guān)于進(jìn)程的調(diào)用函數(shù)、文件的調(diào)用函數(shù)，以及其它相關(guān)的調(diào)用，其中文件系統(tǒng)的調(diào)用占了71個(gè)。由于沒有根系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用中涉及到從根文件系統(tǒng)上或掛接在它某個(gè)文件節(jié)點(diǎn)上的其它文件系統(tǒng)上，裝載、執(zhí)行可執(zhí)行文件的系統(tǒng)調(diào)用都是沒必要的，所以必須做相應(yīng)的更改。典型的是系統(tǒng)調(diào)用execve()，其執(zhí)行流程主干線如圖2所示。

　　exeeve()

　　↓

　　do_exeeve()

　　↓

　　open_execve()

　　↓

　　prepare_binpma()

　　↓

　　search_binary_hanlder()

　　圖2 execve()執(zhí)行流程

　　do_execve()是execve()的核心，它調(diào)用open_exec()尋找可執(zhí)行文件并打開，函數(shù)open_exec()返回一個(gè)file結(jié)構(gòu)指針，代表著讀入可執(zhí)行文件的上下文，將其保存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)bprm中。然后調(diào)用prepare_binprm()完成對(duì)bprm的進(jìn)一步工作，包括從可執(zhí)行文件頭讀取相關(guān)信息，以及拷貝運(yùn)行環(huán)境參數(shù)等到bprm 中。內(nèi)核中有一個(gè)叫formats的隊(duì)列，隊(duì)列中的每個(gè)成員只認(rèn)識(shí)并且處理一種特定格式的可執(zhí)行文件的運(yùn)行。search_binary_handler()就是在formats的隊(duì)列中，尋找跟bprm中信息相符的一個(gè)成員，并由此成員來完成可執(zhí)行文件的裝載并初始化運(yùn)行。由于不存在從文件系統(tǒng)加載可執(zhí)行文件，所以bpma數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，及涉及prepare_binprm()，search_binary_hanlder()等相關(guān)操作都是可以刪除的。

　　再者，由于沒有可供mount的文件節(jié)點(diǎn)，所以有關(guān)掛接的系統(tǒng)調(diào)用也必須做出調(diào)整。比如：mount()是用于文件系統(tǒng)掛接的系統(tǒng)調(diào)用，完全可以刪去;內(nèi)核函數(shù)mount_root()在初始化時(shí)用于安裝根文件系統(tǒng)，也是可以刪去的;vfsmount()是內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于描述掛載節(jié)點(diǎn)的信息，包括掛載點(diǎn)的根目錄，被掛載系統(tǒng)的級(jí)塊指針等信息。vfsmount()完全是跟掛載有關(guān)的，可以將它刪除，同時(shí)內(nèi)核中有好多涉及操作此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)也必須做出更改。比如alloc_vfsmnt()和free_vfsmnt()是分配和釋放vfsmount結(jié)構(gòu)，完全可以刪去，但有些內(nèi)核函數(shù)只有一部分涉及到對(duì)vfsrmnt結(jié)構(gòu)的操作，所以不能全部刪除，必須對(duì)相應(yīng)部分做出修改。

　　1.2.2 對(duì)內(nèi)核啟動(dòng)初始化的影響

　　由于init()進(jìn)程不能從根文件系統(tǒng)加載，所以凡是涉及根文件系統(tǒng)初始化函數(shù)的都必須刪除，以支持內(nèi)核與應(yīng)用程序一體化。初始化進(jìn)程init代碼如下：

　　static int init(void *unused)

　　{……

　　if(open("/dev/console",O_RDWR,0)< 0)

　　……

　　if(execute_command)

　　execve(execute_command,argv_init,envp_init);

　　execve("/sbin/init",argv_init;envp_init);

　　……

　　panic("No init found.Try passing init= option to kernel");

　　}

　　init()完成系統(tǒng)的初始化，包括外部設(shè)備的初始化，釋放init()前初始化后代碼占用的內(nèi)存，以及控制臺(tái)的初始化，最后從根文件系統(tǒng)加載整個(gè)系統(tǒng)的第一個(gè)進(jìn)程init，它是所有進(jìn)程的“鼻祖”。由于根文件的刪除，所以可以刪除控制臺(tái)以及調(diào)用init進(jìn)程。

　　1.2.3 對(duì)ReFS和外部設(shè)備的影響

　　ReFS可以像mount_root()那樣直接把ReFS當(dāng)成根文件系統(tǒng)來裝，但它并不像根文件系統(tǒng)那樣有bash，gretty等應(yīng)用程序，也不具備掛載其它系統(tǒng)的能力，所以不是真正的根文件系統(tǒng)。內(nèi)核中有幾個(gè)根文件系統(tǒng)和外設(shè)相關(guān)的重要內(nèi)核級(jí)全局變量：file_system_type，btkdevs[MAX_BLKDEV]，chrdevs[MAX_CHRDEV]，super_block。

　　file_system_type是一個(gè)描述系統(tǒng)中所有支持的文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。VFS在內(nèi)存中維護(hù)這樣一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的列表，全局指針變量為file_systems。新文件系統(tǒng)必須通過register_filesystem()來注冊(cè)以讓系統(tǒng)識(shí)別，即是在鏈表file_systems結(jié)尾插人一個(gè)file_systm_type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。blkdevs[MAX_BLKDEV]和chrdevs[MAX_CHRDEV]分別為塊設(shè)備和字符設(shè)備的注冊(cè)數(shù)組，包含主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)，以及有關(guān)設(shè)備操作的跳轉(zhuǎn)指針。塊設(shè)備和字符設(shè)備分別通過register_blkdev()和register_chrdev()向系統(tǒng)注冊(cè)設(shè)備。super_block是超級(jí)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放著整個(gè)文件系統(tǒng)的信息和超級(jí)塊操作的函數(shù)。在通用內(nèi)核中根文件系統(tǒng)的安裝的順序是：從file_systems處取得根文件系統(tǒng)的read_super()，read_super()指向具體的驅(qū)動(dòng)程序讀操作，通過讀取得超級(jí)塊，然后在內(nèi)存中創(chuàng)建inode，file，dentry等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于文件的讀寫操作。

　　在這里，同樣可以用與根文件系統(tǒng)相同的裝載方法來初始化ReFS，但是比前者簡單多，因?yàn)楹笳卟簧婕鞍惭b掛載點(diǎn)及與此相關(guān)的操作。對(duì)于外設(shè)，內(nèi)核一般是通過根文件系統(tǒng)搜索到設(shè)備文件，再來訪問外設(shè)，當(dāng)中要涉及到搜索路徑和掛接點(diǎn)到外設(shè)翻譯的問題，而在這里外設(shè)是獨(dú)立的，不依賴于根系統(tǒng)，所以實(shí)現(xiàn)起來更簡單，可以直接依據(jù)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blkdevs[]和chrdevs[]提供的操作函數(shù)表指針，來操作具體的驅(qū)動(dòng)程序操作外設(shè)。[!--empirenews.page--]2 內(nèi)核與應(yīng)用程序的一體化

 

　　uClinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：Flash運(yùn)行方式和 運(yùn)行方式。Flash運(yùn)行方式直接在Flash上運(yùn)行，是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。RAM運(yùn)行方式運(yùn)行速度可能更快(RAM 的存取速率要比Flash高)，所需的內(nèi)存也較少，同時(shí)這也是標(biāo)準(zhǔn)LinuX系統(tǒng)采用的啟動(dòng)方式。

　　不管采用哪種運(yùn)行方式，沒有文件系統(tǒng)的uClinux必須要實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與應(yīng)用程序的一體化，一體化可以通過創(chuàng)建進(jìn)程的方式來實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建進(jìn)程可以采用內(nèi)核函數(shù)do_fork()和do_execve()，也可以仍然用系統(tǒng)調(diào)用fork()和execve()，因?yàn)闆]有MMU的微控制器，內(nèi)核的運(yùn)行其實(shí)是與應(yīng)用程序一樣的。但在這里execve()是經(jīng)過上面修改過的，去掉了其裝載可執(zhí)行文件的能力后，可采用直接跳轉(zhuǎn)到可執(zhí)行文件入口點(diǎn)的方法，運(yùn)行應(yīng)用程序。創(chuàng)建一個(gè)所有應(yīng)用程序的跳轉(zhuǎn)表：

　　struct App_table{

　　Int(*App_main)();//主程序

　　int(*LCD_window)();//A機(jī)操作界面管理程序

　　int(*AD)();//A/D采樣程序

　　……}

　　然后在init()末尾添加如下代碼：

　　if(fork()==0) execve(App_table->App_main);

　　else panic("No App_main found.");

　　3 新型文件系統(tǒng)(ReFS)開發(fā)

　　在某些嵌入式系統(tǒng)中要保存的文件大都是一條條操作記錄或是系統(tǒng)警告提示信息，有固定的數(shù)據(jù)格式和長度，就好像數(shù)據(jù)庫里的記錄。而且針對(duì)這種簡單文件系統(tǒng)的操作可能非常簡單，所以借鑒EXT2和JFFS2等其它文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的文件系統(tǒng)，文中將之命名為記錄型文件系統(tǒng)(ReFS)，其存儲(chǔ)物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　

 

　　數(shù)據(jù)塊的大小是記錄大小的n倍，是數(shù)據(jù)分配的最小單位，可以事先給不同用戶分配不同的的空間，也可以限制用戶使用的存儲(chǔ)空間，然后動(dòng)態(tài)地分配實(shí)際物理塊。一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)文件，文件是不同用戶操作記錄的一個(gè)集合，可由多個(gè)數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。由于空間有限，可將整個(gè)空問構(gòu)成一個(gè)循環(huán)鏈表，插入和刪除的動(dòng)作分別在表頭和表尾進(jìn)行。隨著時(shí)間增長和記錄條數(shù)的增加，整個(gè)存儲(chǔ)空問會(huì)飽和，后面存進(jìn)的記錄會(huì)覆蓋前面的記錄，但數(shù)據(jù)在被覆蓋前早巳失去應(yīng)用價(jià)值，所以只需對(duì)鏈表進(jìn)行插入、刪除、查找等簡單操作，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)陵文件系統(tǒng)的管理。待整個(gè)文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作函數(shù)完成后，把該文件系統(tǒng)加進(jìn)uClinux中去。該步驟主要是構(gòu)造超級(jí)塊、節(jié)點(diǎn)、文件在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)，然后寫出相應(yīng)的超級(jí)塊、節(jié)點(diǎn)、文件操作函數(shù)集super_operations，inode_operations，file_operations。再編寫read_super函數(shù)和注冊(cè)函數(shù)init_ReFS_fs，最后在Linux的初始例程filesystem_setup()函數(shù)中添加：

　　#ifdef CONFIG_ReFS_FS

　　init_ReFS_fs();

　　#endif

　　4 結(jié)束語

　　針對(duì)低固存嵌入式系統(tǒng)，可以通過以上的小型化措施，恨據(jù)具體的嵌入式應(yīng)用定制uClinux，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可移植性、易擴(kuò)展性。但由于對(duì)原系統(tǒng)的某些功能作了裁剪、刪除，在一定程度上影響了uClinux系統(tǒng)原有的可擴(kuò)展性和移植性、不過這也是大小與移植性折中后的結(jié)果。