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。 |
