Linux和uClinux比较分析

2019-07-13 07:20发布

Linux和uClinux比较分析   标准Linux是针对有MMU的处理器设计的。在这种处理器上,虚拟地址被送到MMU,把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟-物理地址转换映射,支持不同任务之间的保护。        uClinux是针对控制领域的嵌入式linux操作系统,它从Linux 2.0/2.4内核派生而来,沿袭了主流Linux的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元(MMU)的微处理器/微控制器。没有MMU支持是uClinux与主流Linux的基本差异。    uClinux有着特别小的内核和用户软件空间。熟悉主流Linux的开发者会注意到在 uClinux下工作的微小差异,但同样也可以很快熟悉uclinux的一些特性。对于设计内核或系统空间的应用程序的开发者,要特别注意uClinux 既没有内存保护,也没有虚拟内存模型,另外,有些内核系统调用也有差异。   对uCLinux 来说,其设计针对没有MMU的处理器,不能使用处理器的虚拟内存管理技术。uCLinux仍然采用存储器的分页管理,系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有MMU管理,所以实际上uCLinux采用实存储器管理策略。uCLinux系统对于内存的访问是直接的,所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护,各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前,系统必须为进程分配足够的连续地址空间,然后全部载入主存储器的连续空间中。    1.1 内存保护   没有内存保护(Memory Protection)的操作会导致这样的结果:即使由无特权的进程来调用一个无效指针,也会触发一个地址错误,并潜在地引起程序崩溃,甚至导致系统的挂起。显然,在这样的系统上运行的代码必须仔细编程,并深入测试来确保健壮性和安全。    对于普通的Linux来说,需要运行不同的用户程序,如果没有内存保护将大大降低系统的安全性和可*性;然而对于嵌入式uClinux系统而言,由于所运行的程序往往是在出厂前已经固化的,不存在危害系统安全的程序侵入的隐患,因此只要应用程序经过较完整的测试,出现问题的概率就可以控制在有限的范围内。    1.2 虚拟内存    没有虚拟内存(Virtual Memory)主要导致下面几个后果:    首先,由内核所加载的进程必须能够独立运行,与它们在内存中的位置无关。实现这一目标的第一种办法是一旦程序被加载到RAM中,那么程序的基准地址就“固定”下来;另一种办法是产生只使用相对寻址的代码(称为“位置无关代码”,Position Independent Code,简称PIC)。uClinux对这两种模式都支持。    其次,要解决在扁平(flat)的内存模型中的内存分配和释放问题。非常动态的内存分配会造成内存碎片,并可能耗尽系统的资源。对于使用了动态内存分配的那些应用程序来说,增强健壮性的一种办法是用预分配缓冲区池(Preallocated buffer pool)的办法来取代malloc()调用。    由于uclinux中不使用虚拟内存,进出内存的页面交换也没有实现,因为不能保证页面会被加载到RAM中的同样位置。在普通计算机上,操作系统允许应用程序使用比物理内存(RAM)更大的内存空间,这往往是通过在硬盘上设立交换分区来实现的。但是,在嵌入式系统中,通常都用FLASH存储器来代替硬盘,很难高效地实现内存页面交换的存取,因此,对运行的应用程序都限制其可分配空间不大于系统的RAM空间。    注意,多任务并没有受影响。哪些旧式的、广泛使用fork()的网络后台程序(daemon)的确是需要修改的。由于子进程运行在和父进程同样的地址空间内,在一些情况下,也需要修改两个进程的行为。   很多现代的程序依赖子进程来执行基本任务,使得即时在进程负载很重时,系统仍可以保持一种“可交互”的状态,这些程序可能需要实质上的修改来在uClinux下完成同样的任务。如果一个关键的应用程序非常依赖这样的结构,那就不得不对它重新编写了。    假设有一个简单的网络后台程序(daemon),大量使用了fork()。这个daemon总监听一个知名端口(或套接字)等待网络客户端来连接。当客户端连接时,这个daemon给它一个新的连接信息(新的socket编号),并调用fork()。子进程接下来就会和客户端在新的socket上进行连接,而父进程被释放,可以继续监听新的连接。    uClinux 既没有自动生长的堆栈,也没有brk()函数,这样,用户空间的程序必须使用mmap() 命令来分配内存。为了方便,在uclinux的C语言库中所实现的malloc()实质上就是一个mmap()。在编译时,可以指定程序的堆栈大小。    最后,uClinux目标板处理器缺乏内存管理的硬件单元,使得Linux的系统接口需要作些改变。有可能最大的不同就是没有fork()和brk()系统调用。调用fork()将复制出进程来创建一个子进程。在Linux下,fork()是使用copy-on-write页面来实现的。由于没有MMU, uclinux不能完整、可*地复制一个进程,也没有对copy-on-write的存取。为了弥补这一缺陷,uClinux实现了vfork(),当父进程调用vfork()来创建子进程时,两个进程共享它们的全部内存空间,包括堆栈。子进程要么代替父进程执行(此时父进程已经sleep)直到子进程调用exitI()退出,要么调用exec()执行一个新的进程,这个时候将产生可执行文件的加载。即使这个进程只是父进程的拷贝,这个过程也不能避免。当子进程执行exit()或exec()后,子进程使用wakeup把父进程唤醒,父进程继续往下执行。