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)將具有非常大的實用意義。文中以下內(nèi)容將針對低固存嵌入式系統(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，安裝交叉編譯工具鏈，包括GCC，Binutils，uClibc。準備就緒后即可開始進行移植操作，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方面著手：內(nèi)核配置級裁剪和內(nèi)核源代碼級裁剪。

　　1.1 內(nèi)核配置級裁剪

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

　　1.2 內(nèi)核源代碼級裁剪

　　Linux核心包括：進程管理模塊、內(nèi)存管理模塊、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動模塊、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)動程序?qū)箖?nèi)核大小有較大范圍的縮減，這已在上一步驟中實現(xiàn)。所以文件系統(tǒng)的裁剪是重中之重。考慮到制作整個根文件系統(tǒng)的高昂代價，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)，同時也導(dǎo)致內(nèi)核與應(yīng)用程序必須一體化。要刪除根文件系統(tǒng)，并不是簡單刪除源代碼，而是一個錯綜復(fù)雜的宏大工程。整個系統(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，隱藏下層具體細節(jié)等作用，方便開發(fā)應(yīng)用程序。同時針對文件規(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數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)用，這樣可以進一步使系統(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 對系統(tǒng)調(diào)用的影響

 

　　系統(tǒng)調(diào)用約有177個，包括關(guān)于進程的調(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。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)上或掛接在它某個文件節(jié)點上的其它文件系統(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bprm的進一步工作，包括從可執(zhí)行文件頭讀取相關(guān)信息，以及拷貝運行環(huán)境參數(shù)等到bprm 中。內(nèi)核中有一個叫formats的隊列，隊列中的每個成員只認識并且處理一種特定格式的可執(zhí)行文件的運行。search_binary_handler()就是在formats的隊列中，尋找跟bprm中信息相符的一個成員，并由此成員來完成可執(zhí)行文件的裝載并初始化運行。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，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)點的信息，包括掛載點的根目錄，被掛載系統(tǒng)的級塊指針等信息。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vfsrmnt結(jié)構(gòu)的操作，所以不能全部刪除，必須對相應(yīng)部分做出修改。

　　1.2.2 對內(nèi)核啟動初始化的影響

　　由于init()進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，以及控制臺的初始化，最后從根文件系統(tǒng)加載整個系統(tǒng)的第一個進程init，它是所有進程的“鼻祖”。由于根文件的刪除，所以可以刪除控制臺以及調(diào)用init進程。

　　1.2.3 對ReFS和外部設(shè)備的影響

　　ReFS可以像mount_root()那樣直接把ReFS當成根文件系統(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)核中有幾個根文件系統(tǒng)和外設(shè)相關(guān)的重要內(nèi)核級全局變量：file_system_type，btkdevs[MAX_BLKDEV]，chrdevs[MAX_CHRDEV]，super_block。

　　file_system_type是一個描述系統(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)存中維護這樣一個數(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()來注冊以讓系統(tǒng)識別，即是在鏈表file_systems結(jié)尾插人一個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)備的注冊數(shù)組，包含主設(shè)備號和次設(shè)備號，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)注冊設(shè)備。super_block是超級塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放著整個文件系統(tǒng)的信息和超級塊操作的函數(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)動程序讀操作，通過讀取得超級塊，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，因為后者不涉及安裝掛載點及與此相關(guān)的操作。對于外設(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)，當中要涉及到搜索路徑和掛接點到外設(shè)翻譯的問題，而在這里外設(shè)是獨立的，不依賴于根系統(tǒng)，所以實現(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)核有兩種可選的運行方式：Flash運行方式和 運行方式。Flash運行方式直接在Flash上運行，是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。RAM運行方式運行速度可能更快(RAM 的存取速率要比Flash高)，所需的內(nèi)存也較少，同時這也是標準LinuX系統(tǒng)采用的啟動方式。

　　不管采用哪種運行方式，沒有文件系統(tǒng)的uClinux必須要實現(xiàn)內(nèi)核與應(yīng)用程序的一體化，一體化可以通過創(chuàng)建進程的方式來實現(xiàn)。創(chuàng)建進程可以采用內(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()，因為沒有MMU的微控制器，內(nèi)核的運行其實是與應(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)行文件入口點的方法，運行應(yīng)用程序。創(chuàng)建一個所有應(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空間，然后動態(tài)地分配實際物理塊。一個節(jié)點代表一個文件，文件是不同用戶操作記錄的一個集合，可由多個數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。由于空間有限，可將整個空問構(gòu)成一個循環(huán)鏈表，插入和刪除的動作分別在表頭和表尾進行。隨著時間增長和記錄條數(shù)的增加，整個存儲空問會飽和，后面存進的記錄會覆蓋前面的記錄，但數(shù)據(jù)在被覆蓋前早巳失去應(yīng)用價值，所以只需對鏈表進行插入、刪除、查找等簡單操作，就可以輕松實現(xiàn)對陵文件系統(tǒng)的管理。待整個文件系統(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uClinux中去。該步驟主要是構(gòu)造超級塊、節(jié)點、文件在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)，然后寫出相應(yīng)的超級塊、節(jié)點、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，同時增加了系統(tǒng)的可移植性、易擴展性。但由于對原系統(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)原有的可擴展性和移植性、不過這也是大小與移植性折中后的結(jié)果。