走近科学龙:ARM与uClinux - ARM - EDN China 技术论坛 - 电子工程师的设计灵感之源

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ARM与uClinux

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bobi2005 2008-10-28 14:19 |只看楼主 1# t T
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在PC机上开发应用程序的用户都会有这样的感觉，PC机有完善的操作系统并提供应用程序接口（API），开发之后的应用程序可以直接在操作系统上运行。虽然嵌入式系统应用程序完全可以在裸板上运行，但为了使系统具有任务管理，定时器管理，存储器管理，资源管理，事件管理，系统管理，消息管理，队列管理和中断处理的能力，提供多任务处理，更好地分配系统资源的功能，用户就需要针对自己的硬件平台和实际应用选择恰当的嵌入式操作系统。

    uClinux是一个完全符合GUN/GPL公约的操作系统，完全开放代码，现在由Lineo公司支持维护。uClinux的发音是“you-see-linux”，它的名字来自于希腊字母“mu”和英文大写字母“C”的结合。“mu”代表“微小”之意，字母“C”代表“控制器”，所以从字面上就可以看出它的含义：即“微控制领域的Linux系统”。

    为了降低硬件成本以及运行时的功耗，有一类CPU在设计中取消了内存管理单元（Memory Management Unit，一下简称MMU）功能模块。最初，运行于这类没有MMU的CPU之上的都是一些很简单的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有 操作系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，而且，所有的应用程序都需要重写，并要求程序员十分了解硬件特 性。这些都阻碍了应用于这类CPU之上的嵌入式产品开发的速度。

    uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元（MMU）的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。 uClinux是为了支持没有MMU的处理器而对标准Linux作出的修正。它保留了操作系统所有的特性，为硬件平台更好地运行各种程序提供了保证。在 GNU通用公共许可证（GNU GPL）的保证下，运行uClinux操作系统的用户可以使用几乎所有的Linux API函数，不会因为没有MMU而受到影响。由于uClinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁减和优化，形成了一个高度优化的，代码紧凑的嵌入式Linux，虽然它的体积很小，uClinux仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定，良好的移植性，优秀的网络功能，完备的对各种文件系统的支持，以及丰富的标准API等

    Boot Loader:负责Linux内核的启动，它用于初始化系统资源，包括SDRAM。这部分代码用于建立Linux内核运行环境和从Flash中装载初始化ramdisk。

    内核的初始化：Linux内核的入口电是start_kernel()函数，它初始化内核的其他部分，包括捕获IRQ通道，调度，设备驱动，标定延迟循环，最重要的是能够fork "init"进程，以启动整个多任务环境。

    系统调用函数/捕获函数：在执行完"init"程序后，内核对程序不再有直接的控制权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件（如硬件中断）和为系统调用提供进程。

    设备驱动：设备驱动占据了Linux内核很大部分。同其他操作系统一样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操作系统提供接口。

    文件系统：Linux最重要的特性之一就是对各种文件系统的支持。这种特性使得Linux很容易地同其他操作系统共存。文件系统的概念使得用户能够查看存 储设备上的文件和路径而无须考虑设计物理设备的文件系统类型。Linux透明的支持许多不同的文件系统，将各种安装的文件和文件系统以一个完整的虚拟文件 系统的形式呈现给用户。

uClinux的相关知识：

1、MMU（内存管理单元）和VM（虚拟内存）

    许多嵌入式微处理器都由于没有MMU而步支持虚拟内存。没有内存管理单元带来的好处是简化了芯片的设计，降低了产品成本。由于大多数的嵌入式设备没有磁盘 或者只有很有限的内存空间，所以无需复杂的内存管理机制。但是由于没有MMU的管理，操作系统对内存空间是没有保护的，所有程序访问的地址都是实际的物理 地址。但从嵌入式系统一般都是实现某种特定功能的角度考虑，对于内存管理的要求完全可以由程序开发人员考虑。

2、实时性的支持

    uClinux本身并步支持实时性，目前存在两种不同的方案提供uClinux对实时性的支持，他们分别是RTLinux(RTL)和RTAL(Real Time Application Interface)。

3、平台支持

开发uClinux的工具链：

开发uClinux通常用标准的GNU工具链。经过修改的工具链支持一些高级特性，比如XIP(Execute-In-Place)技术，共享库支持等

uClinux所使用的微控制器：

uClinux使用于摩托罗拉的ColdFire/DragonBall，ARM系列（例如Atmel,TI,Samsung等生产的芯片），Intel i960,Spar(例如无MMU的LEON)，NEC v850,甚至开放的可综合的CPU核，比如OPENcore。

4、与标准Linux的兼容性

    uClinux除了不能实现fork()而是使用vfork()外，其余uClinux的API函数与标准Linux完全相同。这并不是意味这 uClinux不能实现多进程，实际上是uClinux多进程管理是通过vfork()来实现的，或者是子进程代替父进程执行，直到子进程调用 exit()函数退出，或者是子进程调用exec()函数执行一个新的进程。大多数标准的Linux应用程序在从Linux操作系统移植到uClinux 系统时，几乎不用做什么大的改动，就可以完全达到对一个嵌入式应用程序的要求。

uClibc对libc做了修改为uClinux提供了更为精简的应用程序库。

5、网络的支持

    uClinux带有一个完整的TCP/IP协议，同时它还支持许多其他网络协议。uClinux对于嵌入式系统来说是一个网络完备的操作系统。

6、应用领域

    uClinux广泛应用于嵌入式系统中，例如VPN路由器/防火墙，家用操作终端，协议转换器，IP电话，工业控制器，Internet摄像机，PDA设备等
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