針對低固存嵌入式系統的uClinux小型化方法

    近年來，隨著微計算機軟、硬體技術的不斷進步，嵌入式系統的開發研究已成為工程界應用研究的熱點。國內外越來越多的廠家青睞以uClinux為代表的功能強大且完全免費的Linux操作系統為開發平台，快速開發出成本低廉、性能優異的各類產品。uClinux是一種Linux的嵌入式系統版本，最大的特徵就是可以不需要硬體的MMU支持，很適合那些沒有MMU的處理器。同時uCLinux可移植性強，可移植到68k，Power PC，ARM 等多種微控制器。內核可以定製，經過修改、重編譯后以適合特定的嵌入式應用場合。經過代碼重新、緊縮和裁減后的uClinux內核，同標準Linux內核相比非常小，但是它仍然保持了Linux操作系統的主要優點，如穩定性、強大的網路功能和出色的文件系統支持等，因此uCLinux在嵌入式領域中得到廣泛應用。
    在許多嵌入式系統中，往往只有低容量的固存，比如MCF5282晶元內只有512k FLASH，而有些微處理器固存可能更低。在不外擴固存容量，降低系統穩定性的條件下，特別是在干擾源嚴重的工控環境下，採用短小、精鍊的嵌入式操作系統將具有非常大的實用意義。文中以下內容將針對低固存嵌入式系統，討論uClinux的幾種特殊簡化方法，應用這些方法，將非常有助於開發者開發出適合於自已的嵌入式系統。

1 內核移植
    移植前首先要搭建交叉編譯平台，安裝交叉編譯工具鏈，包括GCC，Binutils，uClibc。準備就緒后即可開始進行移植操作，移植過程中最大困難是如何減小uClinux系統的大小。為此文中從以下兩個方面著手：內核配置級裁剪和內核源代碼級裁剪。
1.1 內核配置級裁剪
    Linux內核採用模塊化的設計，即很多功能塊可以獨立地加上或卸下，開發人員在設計內核時把這些內核模塊作為可選的選項，可以在編譯系統內核時指定。因此一種較通用的做法是對Linux內核重新編譯，在編譯時仔細地選擇嵌入式設備所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能。通過對內核的重新配置，可以使系統運行所需要的內核顯著減小，從而縮減資源使用量。對於內核中不支持的設備，可以自已編製設備驅動程序，然後添加進內核。配置完內核，接下來需要對內核源代碼文件的依賴性和完整性進行檢驗，並進行編譯。

1.2 內核源代碼級裁剪
    Linux核心包括：進程管理模塊、內存管理模塊、文件系統、設備驅動模塊、網路模塊。在內核中文件系統和設備驅動程序佔了大比重，約1/3以上，所以去除不必要的文件系統和設備驅動程序將會使內核大小有較大範圍的縮減，這已在上一步驟中實現。所以文件系統的裁剪是重中之重。考慮到製作整個根文件系統的高昂代價，約有700kbyte大小，而一般嵌入式微處理器的FLASH一般小於512kbyte，根本就不可能固化，所以為了縮減系統的大小必須刪除根文件系統，同時也導致內核與應用程序必須一體化。要刪除根文件系統，並不是簡單刪除源代碼，而是一個錯綜複雜的宏大工程。整個系統的框架如圖1所示。
 
    在本系統中刪除了根文件系統，但仍保留VFS，主要保持VFS向上層提供統一介面，隱藏下層具體細節等作用，方便開發應用程序。同時針對文件規模小、數量少的嵌入式系統VFS在這裡要減小它的規模和簡化它的功能。規模的減小工作主要靠刪除在嵌入式設備不支持的物理文件系統、設備驅動程序及其系統調用的源碼。功能的簡化主要靠簡化部分數據結構和系統調用，這樣可以進一步使系統規模精簡。ReFS文件系統，是根據嵌入式系統的特性開發的一種新的文件系統。具體參見第3節新型文件系統(ReFS)開發。
    由於根文件系統的缺失帶來一些重大影響，分析如下。
1.2.1 對系統調用的影響
    系統調用約有177個，包括關於進程的調用函數、文件的調用函數，以及其它相關的調用，其中文件系統的調用佔了71個。由於沒有根系統，系統調用中涉及到從根文件系統上或掛接在它某個文件節點上的其它文件系統上，裝載、執行可執行文件的系統調用都是沒必要的，所以必須做相應的更改。典型的是系統調用execve()，其執行流程主幹線如圖2所示。
   exeeve()
       ↓
do_exeeve()
       ↓
open_execve()
       ↓
prepare_binpma()
       ↓
search_binary_hanlder()
圖2 execve()執行流程
    do_execve()是execve()的核心，它調用open_exec()尋找可執行文件並打開，函數open_exec()返回一個file結構指針，代表著讀入可執行文件的上下文，將其保存在數據結構bprm中。然後調用prepare_binprm()完成對bprm的進一步工作，包括從可執行文件頭讀取相關信息，以及拷貝運行環境參數等到bprm 中。內核中有一個叫formats的隊列，隊列中的每個成員只認識並且處理一種特定格式的可執行文件的運行。search_binary_handler()就是在formats的隊列中，尋找跟bprm中信息相符的一個成員，並由此成員來完成可執行文件的裝載並初始化運行。由於不存在從文件系統載入可執行文件，所以bpma數據結構，及涉及prepare_binprm()，search_binary_hanlder()等相關操作都是可以刪除的。
    再者，由於沒有可供mount的文件節點，所以有關掛接的系統調用也必須做出調整。比如：mount()是用於文件系統掛接的系統調用，完全可以刪去；內核函數mount_root()在初始化時用於安裝根文件系統，也是可以刪去的；vfsmount()是內核數據結構，用於描述掛載節點的信息，包括掛載點的根目錄，被掛載系統的級塊指針等信息。vfsmount()完全是跟掛載有關的，可以將它刪除，同時內核中有好多涉及操作此數據結構的函數也必須做出更改。比如alloc_vfsmnt()和free_vfsmnt()是分配和釋放vfsmount結構，完全可以刪去，但有些內核函數只有一部分涉及到對vfsrmnt結構的操作，所以不能全部刪除，必須對相應部分做出修改。
1.2.2 對內核啟動初始化的影響
    由於init()進程不能從根文件系統載入，所以凡是涉及根文件系統初始化函數的都必須刪除，以支持內核與應用程序一體化。初始化進程init代碼如下：
static int init(void *unused)
{……
 if(open("/dev/console",O_RDWR,0)< 0)
……
 if(execute_command)
 execve(execute_command,argv_init,envp_init);
 execve("/sbin/init",argv_init;envp_init);
……
 panic("No init found.Try passing init= option to kernel");
}
    init()完成系統的初始化，包括外部設備的初始化，釋放init()前初始化後代碼佔用的內存，以及控制台的初始化，最後從根文件系統載入整個系統的第一個進程init，它是所有進程的“鼻祖”。由於根文件的刪除，所以可以刪除控制台以及調用init進程。
1.2.3 對ReFS和外部設備的影響
    ReFS可以像mount_root()那樣直接把ReFS當成根文件系統來裝，但它並不像根文件系統那樣有bash，gretty等應用程序，也不具備掛載其它系統的能力，所以不是真正的根文件系統。內核中有幾個根文件系統和外設相關的重要內核級全局變數：file_system_type，btkdevs[MAX_BLKDEV]，chrdevs[MAX_CHRDEV]，super_block。
  file_system_type是一個描述系統中所有支持的文件系統的數據結構。VFS在內存中維護這樣一個數據結構的列表，全局指針變數為file_systems。新文件系統必須通過register_filesystem()來註冊以讓系統識別，即是在鏈表file_systems結尾插人一個file_systm_type數據結構。blkdevs[MAX_BLKDEV]和chrdevs[MAX_CHRDEV]分別為塊設備和字元設備的註冊數組，包含主設備號和次設備號，以及有關設備操作的跳轉指針。塊設備和字元設備分別通過register_blkdev()和register_chrdev()向系統註冊設備。super_block是超級塊數據結構，存放著整個文件系統的信息和超級塊操作的函數。在通用內核中根文件系統的安裝的順序是：從file_systems處取得根文件系統的read_super()，read_super()指向具體的驅動程序讀操作，通過讀取得超級塊，然後在內存中創建inode，file，dentry等數據結構，用於文件的讀寫操作。
    在這裡，同樣可以用與根文件系統相同的裝載方法來初始化ReFS，但是比前者簡單多，因為後者不涉及安裝掛載點及與此相關的操作。對於外設，內核一般是通過根文件系統搜索到設備文件，再來訪問外設，當中要涉及到搜索路徑和掛接點到外設翻譯的問題，而在這裡外設是獨立的，不依賴於根系統，所以實現起來更簡單，可以直接依據內核數據結構blkdevs[]和chrdevs[]提供的操作函數表指針，來操作具體的驅動程序操作外設。

2 內核與應用程序的一體化
    uClinux的內核有兩種可選的運行方式：Flash運行方式和 運行方式。Flash運行方式直接在Flash上運行，是很多嵌入式系統採用的方法。RAM運行方式運行速度可能更快(RAM 的存取速率要比Flash高)，所需的內存也較少，同時這也是標準LinuX系統採用的啟動方式。
    不管採用哪種運行方式，沒有文件系統的uClinux必須要實現內核與應用程序的一體化，一體化可以通過創建進程的方式來實現。創建進程可以採用內核函數do_fork()和do_execve()，也可以仍然用系統調用fork()和execve()，因為沒有MMU的微控制器，內核的運行其實是與應用程序一樣的。但在這裡execve()是經過上面修改過的，去掉了其裝載可執行文件的能力后，可採用直接跳轉到可執行文件入口點的方法，運行應用程序。創建一個所有應用程序的跳轉表：
struct App_table{
Int(*App_main)();//主程序
int(*LCD_window)();//A機操作界面管理程序
int(*AD)();//A/D採樣程序
……}
然後在init()末尾添加如下代碼：
if(fork()==0) execve(App_table->App_main);
else panic("No App_main found.");

3 新型文件系統(ReFS)開發
    在某些嵌入式系統中要保存的文件大都是一條條操作記錄或是系統警告提示信息，有固定的數據格式和長度，就好像資料庫里的記錄。而且針對這種簡單文件系統的操作可能非常簡單，所以借鑒EXT2和JFFS2等其它文件系統的設計開發了一種新的文件系統，文中將之命名為記錄型文件系統(ReFS)，其存儲物理結構如圖3所示。
 
    數據塊的大小是記錄大小的n倍，是數據分配的最小單位，可以事先給不同用戶分配不同的的空間，也可以限制用戶使用的存儲空間，然後動態地分配實際物理塊。一個節點代表一個文件，文件是不同用戶操作記錄的一個集合，可由多個數據塊構成。由於空間有限，可將整個空問構成一個循環鏈表，插入和刪除的動作分別在表頭和表尾進行。隨著時間增長和記錄條數的增加，整個存儲空問會飽和，後面存進的記錄會覆蓋前面的記錄，但數據在被覆蓋前早巳失去應用價值，所以只需對鏈表進行插入、刪除、查找等簡單操作，就可以輕鬆實現對陵文件系統的管理。待整個文件系統的數據結構和操作函數完成後，把該文件系統加進uClinux中去。該步驟主要是構造超級塊、節點、文件在內存中的結構，然後寫出相應的超級塊、節點、文件操作函數集super_operations，inode_operations，file_operations。再編寫read_super函數和註冊函數init_ReFS_fs，最後在Linux的初始常式filesystem_setup()函數中添加：
#ifdef CONFIG_ReFS_FS
init_ReFS_fs();
#endif

4 結束語
    針對低固存嵌入式系統，可以通過以上的小型化措施，恨據具體的嵌入式應用定製uClinux，同時增加了系統的可移植性、易擴展性。但由於對原系統的某些功能作了裁剪、刪除，在一定程度上影響了uClinux系統原有的可擴展性和移植性、不過這也是大小與移植性折中后的結果。