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　　本文將深入探討mClinux特點(diǎn)，分析mClinux上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)Linux程序設(shè)計(jì)存在的區(qū)別，并對(duì)mClinux程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

　　mClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux

　　mClinux是針對(duì)控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性，適合不具備MMU的微處理器或微控制器。有無(wú)MMU是mClinux與標(biāo)準(zhǔn)Linux的基本差異。

　　標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對(duì)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(guò)賦予每個(gè)任務(wù)不同的虛擬-物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。

　　對(duì)mClinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。mClinux仍然采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)將實(shí)際存儲(chǔ)器分頁(yè)，在加載應(yīng)用程序時(shí)分頁(yè)加載。但是由于沒(méi)有MMU管理，所以實(shí)際上mClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。mClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)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(chǔ)器的連續(xù)空間中。

　　同時(shí)，mClinux有著特別小的內(nèi)核和用戶軟件空間。對(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)核或系統(tǒng)空間的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者，要特別注意mClinux既沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)，也沒(méi)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。

　　內(nèi)存保護(hù)

　　沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)的操作會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果：即使由無(wú)特權(quán)的進(jìn)程來(lái)調(diào)用一個(gè)無(wú)效指針，也會(huì)觸發(fā)一個(gè)地址錯(cuò)誤，并潛在地引起程序崩潰，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(cè)試來(lái)確保健壯性和安全。

　　對(duì)于普通的Linux來(lái)說(shuō)，需要運(yùn)行不同的用戶程序，如果沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)將大大降低系統(tǒng)的安全性和可靠性;然而對(duì)于嵌入式mClinux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(guò)較完整的測(cè)試，出現(xiàn)問(wèn)題的概率就可以控制在有限范圍內(nèi)。

　　虛擬內(nèi)存

　　沒(méi)有虛擬內(nèi)存主要會(huì)導(dǎo)致下面幾個(gè)結(jié)果：

　　首先，由內(nèi)核所加載的進(jìn)程必須能夠獨(dú)立運(yùn)行，與其在內(nèi)存中的位置無(wú)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(lái);另一種辦法是，生成只使用相對(duì)尋址的代碼(PIC)。mClinux對(duì)這兩種模式都支持。

　　其次，要解決扁平內(nèi)存模型中的內(nèi)存分配和釋放問(wèn)題。非常動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配會(huì)造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對(duì)于使用了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的那些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)健壯性的一種辦法是，用預(yù)分配緩沖區(qū)池(Preallocated buffer pool)來(lái)取代malloc()調(diào)用。由于mClinux中不使用虛擬內(nèi)存，進(jìn)出內(nèi)存的頁(yè)面交換也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，因而不能保證頁(yè)面會(huì)被加載到RAM中的同樣位置。在普通計(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(guò)在硬盤(pán)上設(shè)立交換分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用Flash存儲(chǔ)器來(lái)代替硬盤(pán)，很難高效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)存頁(yè)面交換的存取，因此，對(duì)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，mClinux目標(biāo)板處理器缺乏內(nèi)存管理的硬件單元，使得Linux的系統(tǒng)接口需要作些改變，最大的不同是沒(méi)有fork()和brk()系統(tǒng)調(diào)用。 調(diào)用fork()將復(fù)制出進(jìn)程來(lái)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。在Linux下，fork()使用copy-on-write頁(yè)面實(shí)現(xiàn)。由于沒(méi)有MMU，mClinux不能完整、可靠地復(fù)制一個(gè)進(jìn)程，也沒(méi)有對(duì)copy-on-write的存取。為了彌補(bǔ)這一缺陷，mClinux實(shí)現(xiàn)了vfork()，當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用vfork()來(lái)創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，兩個(gè)進(jìn)程共享它們的全部?jī)?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(shí)父進(jìn)程已經(jīng)sleep)直到子進(jìn)程調(diào)用exit()退出，要么調(diào)用exec()執(zhí)行一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生可執(zhí)行文件的加載。即使這個(gè)進(jìn)程只是父進(jìn)程的拷貝，這個(gè)過(guò)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。

　　但是，多任務(wù)并沒(méi)有受影響。較早的廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)程序(daemon)需要修改;由于子進(jìn)程運(yùn)行在和父進(jìn)程同樣的地址空間內(nèi)，在一些情況下，也需要修改兩個(gè)進(jìn)程的行為。

　　很多現(xiàn)代的程序依賴子進(jìn)程來(lái)執(zhí)行基本任務(wù)，使得即使在進(jìn)程負(fù)載很重時(shí)，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(lái)在mClinux下完成同樣的任務(wù)。如果一個(gè)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(duì)它重新編寫(xiě)了。

　　假設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)程序(daemon)，大量使用了fork()。這個(gè)daemon總監(jiān)聽(tīng)一個(gè)知名端口(或套接字)等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來(lái)連接。當(dāng)客戶端連接時(shí)，這個(gè)daemon給它一個(gè)新的連接信息(新的socket編號(hào))，并調(diào)用fork()。子進(jìn)程接下來(lái)就會(huì)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(tīng)新的連接。

　　mClinux 既沒(méi)有自動(dòng)生長(zhǎng)的堆棧，也沒(méi)有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap() 命令來(lái)分配內(nèi)存。為了方便，在mClinux的C語(yǔ)言庫(kù)中所實(shí)現(xiàn)的malloc()實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)mmap()。在編譯時(shí)，可以指定程序的堆棧大小。