uClinux系統(tǒng)分析
| 效。系統(tǒng)處理該失效，并將頁(yè)面加載到內(nèi)存中，這需要極耗時(shí)間的磁盤(pán)I/O操作?？傊畠?nèi)存管理活動(dòng)占用了相當(dāng)一部分cpu時(shí)間（在較忙的系統(tǒng)中大約占10％）。 uClinux針對(duì)NOMMU的特殊處理 對(duì)于uClinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)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(shuō)這種不帶有MMU的處理器在嵌入式設(shè)備中相當(dāng)普偏）。uClinux仍然采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)。在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁(yè)加載。但是由于沒(méi)有MMU管理，所以實(shí)際上uClinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略（real memeory management）。這一點(diǎn)影響了系統(tǒng)工作的很多方面。 uClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，（它對(duì)地址的訪(fǎng)問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線(xiàn)上輸出），所有程序中訪(fǎng)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)（這實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)），各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間（沒(méi)有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表）。 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。與之相對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)沒(méi)有必要保證實(shí)際物理存儲(chǔ)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(gè)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(guò)程就是必須的。此外磁盤(pán)交換空間也是無(wú)法使用的，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)如果缺少內(nèi)存將無(wú)法通過(guò)磁盤(pán)交換來(lái)得到改善。 uClinux對(duì)內(nèi)存的管理減少同時(shí)就給開(kāi)發(fā)人員提出了更高的要求。如果從易用性這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(shí)代。開(kāi)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(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員必須告訴系統(tǒng)這塊開(kāi)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(yùn)行程序時(shí)受到懲罰），從而系統(tǒng)將在啟動(dòng)的初始化階段對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分頁(yè)，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運(yùn)行應(yīng)用時(shí)使用這些分頁(yè)內(nèi)存。 由于應(yīng)用程序加載時(shí)必須分配連續(xù)的地址空間，而針對(duì)不同硬件平臺(tái)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(duì)ez328處理器的uClinux是128k，而針對(duì)coldfire處理器的系統(tǒng)內(nèi)存則無(wú)此限制），所以開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)必須考慮內(nèi)存的分配情況并關(guān)注應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。另外由于采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略，用戶(hù)程序同內(nèi)核以及其它用戶(hù)程序在一個(gè)地址空間，程序開(kāi)發(fā)時(shí)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\(yùn)行異常。 從內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)人員的權(quán)利增大了（開(kāi)發(fā)人員在編程時(shí)可以訪(fǎng)問(wèn)任意的地址空間），但與此同時(shí)系統(tǒng)的安全性也大為下降。此外，系統(tǒng)對(duì)多進(jìn)程的管理將有很大的變化，這一點(diǎn)將在uClinux的多進(jìn)程管理中說(shuō)明。 雖然uClinux的內(nèi)存管理與標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)相比功能相差很多，但應(yīng)該說(shuō)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(méi)有足夠的硬件支持實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)。從嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，嵌入式設(shè)備通常在某一特定的環(huán)境下運(yùn)行，只要實(shí)現(xiàn)特定的功能，其功能相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)存管理的要求完全可以由開(kāi)發(fā)人員考慮。 標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的進(jìn)程、線(xiàn)程 進(jìn)程：進(jìn)程是一個(gè)運(yùn)行程序并為其提供執(zhí)行環(huán)境的實(shí)體，它包括一個(gè)地址空間和至少一個(gè)控制點(diǎn)，進(jìn)程在這個(gè)地址空間上執(zhí)行單一指令序列。進(jìn)程地址空間包括可以訪(fǎng)問(wèn)或引用的內(nèi)存單元的集合，進(jìn)程控制點(diǎn)通過(guò)一個(gè)一般稱(chēng)為程序計(jì)數(shù)器（program counter,PC）的硬件寄存器控制和跟蹤進(jìn)程指令序列。 fork：由于進(jìn)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(gè)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(jìn)程的內(nèi)容，以產(chǎn)生新的進(jìn)程，調(diào)用fork的進(jìn)程稱(chēng)為父進(jìn)程；而所產(chǎn)生的新進(jìn)程則稱(chēng)為子進(jìn)程。子進(jìn)程會(huì)承襲父進(jìn)程的一切特性，但是它有自己的數(shù)據(jù)段，也就是說(shuō)，盡管子進(jìn)程改變了所屬的變量，卻不會(huì)影響到父進(jìn)程的變量值。 父進(jìn)程和子進(jìn)程共享一個(gè)程序段，但是各自擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)段、用戶(hù)空間以及進(jìn)程控制塊。換言之，兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行的程序代碼是一樣的，但是各有各的程序計(jì)數(shù)器與自己的私人數(shù)據(jù)。 當(dāng)內(nèi)核收到fork請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)先查核三件事：首先檢查存儲(chǔ)器是不是足夠；其次是進(jìn)程表是否仍有空缺；最后則是看看用戶(hù)是否建立了太多的子進(jìn)程。如果上述說(shuō)三個(gè)條件滿(mǎn)足，那么操作系統(tǒng)會(huì)給子進(jìn)程一個(gè)進(jìn)程識(shí)別碼，并且設(shè)定cpu時(shí)間，接著設(shè)定與父進(jìn)程共享的段，同時(shí)將父進(jìn)程的inode拷貝一份給子進(jìn)程運(yùn)用，最終子進(jìn)程會(huì)返回?cái)?shù)值0以表示它是子進(jìn)程，至于父進(jìn)程，它可能等待子進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)束，或與子進(jìn)程各做個(gè)的。 exec系統(tǒng)調(diào)用：該系統(tǒng)調(diào)用提供一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行另一個(gè)進(jìn)程的能力，exec系統(tǒng)調(diào)用是采用覆蓋舊有進(jìn)程存儲(chǔ)器內(nèi)容的方式，所以原來(lái)程序的堆棧、數(shù)據(jù)段與程序段都會(huì)被修改，只有用戶(hù)區(qū)維持不變。 vfork系統(tǒng)調(diào)用：由于在使用fork時(shí)，內(nèi)核會(huì)將父進(jìn)程拷貝一份給子進(jìn)程，但是這樣的做法相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?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(lái)的進(jìn)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(gè)系統(tǒng)調(diào)用vfork，vfork假定系統(tǒng)在調(diào)用完成vfork后會(huì)馬上執(zhí)行exec，因此vfork不拷貝父進(jìn)程的頁(yè)面，只是初始化私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)備足夠的分頁(yè)表。這樣實(shí)際在vfork調(diào)用完成后父子進(jìn)程事實(shí)上共享同一塊存儲(chǔ)器（在子進(jìn)程調(diào)用exec或是exit之前），因此子進(jìn)程可以更改父進(jìn)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(jìn)程進(jìn)入睡眠，直到子進(jìn)程執(zhí)行exec。當(dāng)子進(jìn)程執(zhí)行exec時(shí)，由于exec要使用被執(zhí)行程序的數(shù)據(jù)，代碼覆蓋子進(jìn)程的存儲(chǔ)區(qū)域，這樣將產(chǎn)生寫(xiě)保護(hù)錯(cuò)誤（do_wp_page）（這個(gè)時(shí)候子進(jìn)程寫(xiě)的實(shí)際上是父進(jìn)程的存儲(chǔ)區(qū)域）， 這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致內(nèi)核為子進(jìn)程重新分配存儲(chǔ)空間。當(dāng)子進(jìn)程正確開(kāi)始執(zhí)行后，將喚醒父進(jìn)程，使得父進(jìn)程繼續(xù)往后執(zhí)行。 uClinux的多進(jìn)程處理 uClinux沒(méi)有mmu管理存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程時(shí)（fork調(diào)用生成子進(jìn)程）需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)。 uClinux的fork和vfork：uClinux的fork等于vfork。實(shí)際上uClinux的多進(jìn)程管理通過(guò)vfork來(lái)實(shí)現(xiàn)。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完程后，要么子進(jìn)程代替父進(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。 uClinux的這種多進(jìn)程實(shí)現(xiàn)機(jī)制同它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對(duì)nommu處理器開(kāi)發(fā)，所以被迫使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式，啟動(dòng)新的應(yīng)用程序時(shí)系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲(chǔ)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(jī)制，uClinux必須在可執(zhí)行文件加載階段對(duì)可執(zhí)行文件reloc處理，使得程序執(zhí)行時(shí)能夠直接使用物理內(nèi)存。 |
