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域而設計的Linux系統(tǒng).
 

　　uClinux以其優(yōu)異的性能、免費開放的代碼等優(yōu)點，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)的嵌入式程序設計相比，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)自己的應用程序，無疑能進一提高效率，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內核和bootloader以及應用程序的設計，本文將從這幾個方面來闡述的基于UCLINUX的嵌入式系統(tǒng)的設計。

　　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，設置工具鏈在主機機器上創(chuàng)建一個用于編譯將在目標上運行的內核和應用程序的構建環(huán)境?這是因為目標硬件可能沒有與主機兼容的二進制執(zhí)行級別。包括Gcc:編譯器，可以做成交駐編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)編譯目標上可運行的二進制文件。Binutils:一些畏助工具，包括objdump(可以反編譯二進制文件)，as(匯編編譯器)，id(連接器)等等。

　　Gdb:調試器，可使用多種交叉方式，gdb-bdm(背景調試工具),gdbserver(使用以太網(wǎng)絡調試)。Glibc-所有用戶應用程序都將鏈接到的C庫。避免使用任何C庫函數(shù)的內核 和其它應用程序可以沒有該庫的情況下進行編譯。

　　構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同類的處理器的指令。交叉編譯器運行在某一種處理器上。卻可以編譯另一種處理器的指令。重頭設置交叉編譯器工具鏈可不是一項簡單的的任務：它包括下載源代碼、修補補丁，配置、編譯、設置頭文件、安裝以及很多很多的操作。另外，這一個徹底的的構建過內存和硬盤的需求是巨大的。如果沒有足夠的內存和硬盤空間。在構建除段由于相關性、配置或頭文件設置等問題會突然冒出許多問題。

　　因此能夠從因特網(wǎng)上獲得已預編譯的二進制文件是一件好事但不太好的一點是，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內核和bootloader

　　配置內核 的命令是make menuconfig,會列出一些選項。根據(jù)你的硬件相應選取就行了。然后保存，退出，運行make dep，然后再make一下，會生成四個文件。

　　1.image.glf:ELF格式含 調 試信息和romfs的uClinux,可以用gdb裝載調試運行

　　2.romfs.ing:romfs的二進制文件

　　3.linux.bin:不含romfs的uclinux二進制文件

　　image.bin:linux.bin和romfs.bin合并而成，并多了4個字的校驗，這個文件的內容拷貝到ram里后就可以直接從入口運行了。

　　Bootloader的任務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、 應用程序設計

　　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)在標準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結構上的差導致uClinux上運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是為了沒有內存管理單元(MMU)的處理器、控制器設計，并做了較大幅度的精簡，所以，在標準Linux上可以作用的一些函數(shù)和系統(tǒng)調用在uCLinux上有可能就行不通了。

　　標準Linux是針對有MMU的處理器設計的。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。通過賦予每個任務不同的虛擬一物理地址轉換映射，支持不同任務之間的保護。

　　對uCLinux來說，其設計針對沒有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內存管理技術。uCLinux仍然采用存儲器的分頁管理。系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上uCLinux采用實存儲器管理策略。uCLinux系統(tǒng)對于內存的訪問是直接的。所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對成倍存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前。系統(tǒng)必須為進程分配足夠的連續(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。對于設計內核或系統(tǒng)空間的應用程序的開發(fā)者，要特點注意uClinux既沒有內存保護，也沒有虛擬內存模型，另外，有些內核系統(tǒng)調用也有差異。

　　沒有內存保護(Memory Protection)的操作會導致這樣的結果：即使由無特權的進程來調用一個無效指針，也會觸發(fā)一個地址錯誤，并潛在引起程序崩潰，甚至導致系統(tǒng)的掛起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運行的代碼必須仔細編程，并深入測試來確保健壯性和安全。

　　對于普通的Linux來說，需要運行不同的用戶程序，如果沒有內存保護將大大降低系統(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。沒有虛擬內存(Virtual Memory)主要導致下面幾個后果： 首先，由內核所加載的進程必須能夠獨立運行，與它們在內存中的位置無關。實現(xiàn)這一目標的第一種辦法是一旦程序被加載到RAM中，那么程序的基準地址就“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)的內存模型中的內存分配和問題。非常動態(tài)的內存分配會造成內存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)的內存分配的那些應用程序來說，增強健壯性的一種辦法是用預分配緩沖區(qū)池(Prelllocated buffer pool)的辦法來取代malloc()調用。由于uClinux中不使用虛擬內存，進出內存的頁面交換也沒有實現(xiàn)，，因為不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。要普通計算機上，操作系統(tǒng)允許應用程序使用比物理內存(RAM)更大的內存空間，這往往是通過在硬盤上設立交換分區(qū)來實現(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，很難高效地實現(xiàn)內存頁面交換的存取，因此，對運行的應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目標處理器缺乏內存管理的硬件單元，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)調用。調用fork()將復制出進程來創(chuàng)建一個子進程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁面來實現(xiàn)的。由于沒有MMU，uClinux不能完整、可靠村地復制一個進程。也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，uClinux實現(xiàn)了發(fā)vfok(),當父進程調用vfork()來創(chuàng)建子進程時，兩個進程共享它們的全部內存空間，包括堆棧。 子進程要么代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep)直到子進程調 用exitI()退出，要么調用eexec()執(zhí)行一個新的進程，這個時候將產(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也不能避免。當子進程執(zhí)行exit()或exec()后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。注意，多任務并沒有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網(wǎng)絡后臺程序(daemon)的確是需要修改的。由于子進程運行在和父進程同親的地址空間內，在一些情況下，也需要修改兩個進程的行為。很多現(xiàn)代的程序依賴子進程業(yè)執(zhí)行基本任務，使得即時進程負載很重時，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質上的修改來在uClinux下完成同樣的任務。如果一個關鍵的應用程序非常依賴這樣的結構，那就不得不對它重新編寫了。

　　假設有一個簡單的網(wǎng)絡后臺程序(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)絡客戶端來連接。當客戶端連接時。這個daemon給它一個新的連接信息(新的socket編號)，并調用fork()。子進程接下來就會和客戶端在新的socket上進行連接。而父進程被釋放，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()命令來分配內存。為了方便，在uClinux的C語言庫中所實現(xiàn)的malloc()實質上就是一個mmap().在編譯時，可以指定程序的堆棧大小。其實，除了一些設計內存和系統(tǒng)調用的程序之外，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指定自動調用elf轉換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程序調用。如果應用程序需要用到uClibc中沒有提供的函數(shù)，這些函數(shù)可以加到uClibc中、或者作為一個獨立的庫、或者加到應用程序上面來進鏈接。

　　uCLinux 對用戶程序采用靜態(tài)鏈接的形式，這種做法會使應用程序變大，但是基于內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.結論

　　本方討論了嵌入式linux-Uclinux的特點和Uclinux 開發(fā)環(huán)境的建立。并結合我的工作著重闡述了如何開發(fā)基于Uclinux的應用程序 ，這些技術幾乎都跟具體設備無關，可以就用于任何硬件設備，具有相當?shù)耐ㄓ眯浴?/p>