uClinux系統(tǒng)分析
效。系統(tǒng)處理該失效,并將頁面加載到內(nèi)存中,這需要極耗時間的磁盤I/O操作??傊畠?nèi)存管理活動占用了相當一部分cpu時間(在較忙的系統(tǒng)中大約占10%)。 uClinux針對NOMMU的特殊處理 對于uClinux來說,其設(shè)計針對沒有MMU的處理器,即uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)(應(yīng)該說這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當普偏)。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(yīng)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(real memeory management)。這一點影響了系統(tǒng)工作的很多方面。 uClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的,(它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU,而是直接送到地址線上輸出),所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(這實際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點),各個進程實際上共享一個運行空間(沒有獨立的地址轉(zhuǎn)換表)。 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。與之相對應(yīng)的是標準Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時沒有必要保證實際物理存儲空間是連續(xù)的,而只要保證虛存地址空間連續(xù)就可以了。另外一個方面程序加載地址與預(yù)期(ld文件中指出的)通常都不相同,這樣relocation過程就是必須的。此外磁盤交換空間也是無法使用的,系統(tǒng)執(zhí)行時如果缺少內(nèi)存將無法通過磁盤交換來得到改善。 uClinux對內(nèi)存的管理減少同時就給開發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點來說,uClinux的內(nèi)存管理是一種倒退,退回了到了UNIX早期或是Dos系統(tǒng)時代。開發(fā)人員不得不參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理。從編譯內(nèi)核開始,開發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開發(fā)板到底擁有多少的內(nèi)存(假如你欺騙了系統(tǒng),那將在后面運行程序時受到懲罰),從而系統(tǒng)將在啟動的初始化階段對內(nèi)存進行分頁,并且標記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運行應(yīng)用時使用這些分頁內(nèi)存。 由于應(yīng)用程序加載時必須分配連續(xù)的地址空間,而針對不同硬件平臺的可一次成塊(連續(xù)地址)分配內(nèi)存大小限制是不同(目前針對ez328處理器的uClinux是128k,而針對coldfire處理器的系統(tǒng)內(nèi)存則無此限制),所以開發(fā)人員在開發(fā)應(yīng)用程序時必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運行空間的大小。另外由于采用實存儲器管理策略,用戶程序同內(nèi)核以及其它用戶程序在一個地址空間,程序開發(fā)時要保證不侵犯其它程序的地址空間,以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作,或?qū)е缕渌绦虻倪\行異常。 從內(nèi)存的訪問角度來看,開發(fā)人員的權(quán)利增大了(開發(fā)人員在編程時可以訪問任意的地址空間),但與此同時系統(tǒng)的安全性也大為下降。此外,系統(tǒng)對多進程的管理將有很大的變化,這一點將在uClinux的多進程管理中說明。 雖然uClinux的內(nèi)存管理與標準Linux系統(tǒng)相比功能相差很多,但應(yīng)該說這是嵌入式設(shè)備的選擇。在嵌入式設(shè)備中,由于成本等敏感因素的影響,普偏的采用不帶有MMU的處理器,這決定了系統(tǒng)沒有足夠的硬件支持實現(xiàn)虛擬存儲管理技術(shù)。從嵌入式設(shè)備實現(xiàn)的功能來看,嵌入式設(shè)備通常在某一特定的環(huán)境下運行,只要實現(xiàn)特定的功能,其功能相對簡單,內(nèi)存管理的要求完全可以由開發(fā)人員考慮。 標準Linux系統(tǒng)的進程、線程 進程:進程是一個運行程序并為其提供執(zhí)行環(huán)境的實體,它包括一個地址空間和至少一個控制點,進程在這個地址空間上執(zhí)行單一指令序列。進程地址空間包括可以訪問或引用的內(nèi)存單元的集合,進程控制點通過一個一般稱為程序計數(shù)器(program counter,PC)的硬件寄存器控制和跟蹤進程指令序列。 fork:由于進程為執(zhí)行程序的環(huán)境,因此在執(zhí)行程序前必須先建立這個能"跑"程序的環(huán)境。Linux系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用拷貝現(xiàn)行進程的內(nèi)容,以產(chǎn)生新的進程,調(diào)用fork的進程稱為父進程;而所產(chǎn)生的新進程則稱為子進程。子進程會承襲父進程的一切特性,但是它有自己的數(shù)據(jù)段,也就是說,盡管子進程改變了所屬的變量,卻不會影響到父進程的變量值。 父進程和子進程共享一個程序段,但是各自擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)段、用戶空間以及進程控制塊。換言之,兩個進程執(zhí)行的程序代碼是一樣的,但是各有各的程序計數(shù)器與自己的私人數(shù)據(jù)。 當內(nèi)核收到fork請求時,它會先查核三件事:首先檢查存儲器是不是足夠;其次是進程表是否仍有空缺;最后則是看看用戶是否建立了太多的子進程。如果上述說三個條件滿足,那么操作系統(tǒng)會給子進程一個進程識別碼,并且設(shè)定cpu時間,接著設(shè)定與父進程共享的段,同時將父進程的inode拷貝一份給子進程運用,最終子進程會返回數(shù)值0以表示它是子進程,至于父進程,它可能等待子進程的執(zhí)行結(jié)束,或與子進程各做個的。 exec系統(tǒng)調(diào)用:該系統(tǒng)調(diào)用提供一個進程去執(zhí)行另一個進程的能力,exec系統(tǒng)調(diào)用是采用覆蓋舊有進程存儲器內(nèi)容的方式,所以原來程序的堆棧、數(shù)據(jù)段與程序段都會被修改,只有用戶區(qū)維持不變。 vfork系統(tǒng)調(diào)用:由于在使用fork時,內(nèi)核會將父進程拷貝一份給子進程,但是這樣的做法相當浪費時間,因為大多數(shù)的情形都是程序在調(diào)用fork后就立即調(diào)用exec,這樣剛拷貝來的進程區(qū)域又立即被新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。因此Linux系統(tǒng)提供一個系統(tǒng)調(diào)用vfork,vfork假定系統(tǒng)在調(diào)用完成vfork后會馬上執(zhí)行exec,因此vfork不拷貝父進程的頁面,只是初始化私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與準備足夠的分頁表。這樣實際在vfork調(diào)用完成后父子進程事實上共享同一塊存儲器(在子進程調(diào)用exec或是exit之前),因此子進程可以更改父進程的數(shù)據(jù)及堆棧信息,因此vfork系統(tǒng)調(diào)用完成后,父進程進入睡眠,直到子進程執(zhí)行exec。當子進程執(zhí)行exec時,由于exec要使用被執(zhí)行程序的數(shù)據(jù),代碼覆蓋子進程的存儲區(qū)域,這樣將產(chǎn)生寫保護錯誤(do_wp_page)(這個時候子進程寫的實際上是父進程的存儲區(qū)域), 這個錯誤導致內(nèi)核為子進程重新分配存儲空間。當子進程正確開始執(zhí)行后,將喚醒父進程,使得父進程繼續(xù)往后執(zhí)行。 uClinux的多進程處理 uClinux沒有mmu管理存儲器,在實現(xiàn)多個進程時(fork調(diào)用生成子進程)需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護。 uClinux的fork和vfork:uClinux的fork等于vfork。實際上uClinux的多進程管理通過vfork來實現(xiàn)。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完程后,要么子進程代替父進程執(zhí)行(此時父進程已經(jīng)sleep)直到子進程調(diào)用exit退出,要么調(diào)用exec執(zhí)行一個新的進程,這個時候?qū)a(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。 uClinux的這種多進程實現(xiàn)機制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對nommu處理器開發(fā),所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式,啟動新的應(yīng)用程序時系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲空間,并立即把應(yīng)用程序加載到內(nèi)存。缺少了MMU的內(nèi)存重映射機制,uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對可執(zhí)行文件reloc處理,使得程序執(zhí)行時能夠直接使用物理內(nèi)存。 |