uCLinux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境建立

1.Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)

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

　　uClinux以其優(yōu)異的性能、免費(fèi)開放的代碼等優(yōu)點(diǎn)，博得眾多嵌入式開發(fā)者的青睞，和過去基于簡單RTOS甚至沒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)來開發(fā)自己的應(yīng)用程序，無疑能進(jìn)一提高效率，并具有很好的可移植性?；?strong>UCLINUX的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)涉及到三個方面：開發(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)，本文將從這幾個方面來闡述的基于UCLINUX的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　2.開發(fā)環(huán)境的建立

　　開發(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)硬件可能沒有與主機(jī)兼容的二進(jìn)制執(zhí)行級別。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。避免使用任何C庫函數(shù)的內(nèi)核 和其它應(yīng)用程序可以沒有該庫的情況下進(jìn)行編譯。

　　構(gòu)建在工具鏈建立了一個交叉編譯器環(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，這一個徹底的的構(gòu)建過內(nèi)存和硬盤的需求是巨大的。如果沒有足夠的內(nèi)存和硬盤空間。在構(gòu)建除段由于相關(guān)性、配置或頭文件設(shè)置等問題會突然冒出許多問題。

　　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)。但遲早會改變的)。

　　3.配置UCLINUX內(nèi)核和bootloader

　　配置內(nèi)核 的命令是make menuconfig,會列出一些選項(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，會生成四個文件。

　　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個字的校驗(yàn)，這個文件的內(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,如果是買的開發(fā)板，開發(fā)商會附送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),用燒寫器燒寫的flash里啟動板子。[!--empirenews.page--]

　　4、 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　我們知道，在主流的Linux平臺上，已經(jīng)有了非常豐富的、開源應(yīng)用程序，使得開發(fā)者很容易獲得前人的成果作為參考 ，編寫更適合自己的程序。然而，對于很多已經(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為該類型處理器交叉編譯產(chǎn)生：另一方面uCLinux是為了沒有內(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，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。通過賦予每個任務(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uCLinux來說，其設(shè)計(jì)針對沒有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。uCLinux仍然采用存儲器的分頁管理。系統(tǒng)在啟動時把實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁。在加載應(yīng)用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實(shí)際上uCLinux采用實(shí)存儲器管理策略。uCLinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的。所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對成倍存空間沒有保護(hù)，各個進(jìn)程實(shí)際上共享一個運(yùn)行空間。一個進(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器的連續(xù)空間中。

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

　　沒有內(nèi)存保護(hù)(Memory Protection)的操作會導(dǎo)致這樣的結(jié)果：即使由無特權(quán)的進(jìn)程來調(diào)用一個無效指針，也會觸發(fā)一個地址錯誤，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，并深入測試來確保健壯性和安全。

　　對于普通的Linux來說，需要運(yùn)行不同的用戶程序，如果沒有內(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)過較完整的測試，出現(xiàn)問題的概率就可以控制在有限的范圍內(nèi)。沒有虛擬內(nèi)存(Virtual Memory)主要導(dǎo)致下面幾個后果： 首先，由內(nèi)核所加載的進(jìn)程必須能夠獨(dú)立運(yùn)行，與它們在內(nèi)存中的位置無關(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：另一種辦法是產(chǎn)生只使用相對尋址的代碼(稱為“位置無關(guān)代碼”，Position Independent Code，簡稱PIC)。uClinux 對這兩種模式都支持。

　　其次，要解決在扁平(flat)的內(nèi)存模型中的內(nèi)存分配和問題。非常動態(tài)的內(nèi)存分配會造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)的內(nèi)存分配的那些應(yīng)用程序來說，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)存的頁面交換也沒有實(shí)現(xiàn)，，因?yàn)椴荒鼙ＷC頁面會被加載到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，這往往是通過在硬盤上設(shè)立交換分區(qū)來實(shí)現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用FLASH存儲器來代替硬盤，很難高效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)存頁面交換的存取，因此，對運(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有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用fork()將復(fù)制出進(jìn)程來創(chuàng)建一個子進(jìn)程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁面來實(shí)現(xiàn)的。由于沒有MMU，uClinux不能完整、可靠村地復(fù)制一個進(jìn)程。也沒有對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()來創(chuàng)建子進(jìn)程時，兩個進(jìn)程共享它們的全部內(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)行一個新的進(jìn)程，這個時候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。即使這個進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個過程也不能避免。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)并沒有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺程序(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)，使得即時進(jìn)程負(fù)載很重時，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)上的修改來在uClinux下完成同樣的任務(wù)。如果一個關(guān)鍵的應(yīng)用程序非常依賴這樣的結(jié)構(gòu)，那就不得不對它重新編寫了。

　　假設(shè)有一個簡單的網(wǎng)絡(luò)后臺程序(daemon),大量使用了fork()。這個daemon總監(jiān)聽一個知名端口或套接字)等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來連接。當(dāng)客戶端連接時。這個daemon給它一個新的連接信息(新的socket編號)，并調(diào)用fork()。子進(jìn)程接下來就會和客戶端在新的socket上進(jìn)行連接。而父進(jìn)程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。

　　uClinux既沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap()命令來分配內(nèi)存。為了方便，在uClinux的C語言庫中所實(shí)現(xiàn)的malloc()實(shí)質(zhì)上就是一個mmap().在編譯時，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編譯器下編譯通過的軟件通常不需要做大的改動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采用的是精簡了的c程序庫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中沒有提供的函數(shù)，這些函數(shù)可以加到uClibc中、或者作為一個獨(dú)立的庫、或者加到應(yīng)用程序上面來進(jìn)鏈接。

　　uCLinux 對用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會使應(yīng)用程序變大，但是基于內(nèi)存管理的問題也就是基于沒有MMU的特性，只能這樣做，同時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 開發(fā)環(huán)境的建立。并結(jié)合我的工作著重闡述了如何開發(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>