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uClinux 上的应用程序设计

Luojia, Tsinghua Motorola MCU & DSP Center

uClinux 以其优异的性能、免费开放的代码等优点，博得众多嵌入式开发者

的青睐。和过去基于简单 RTOS 甚至没有使用任何操作系统的嵌入式程序设计

相比，基于 Linux 这样的成熟的、高效的、健壮的、可靠的、模块化的、易于配

置的操作系统来开发自己的应用程序，无疑能进一步提高效率，并具有很好的可

移植性。

在前面的章节中，我们已介绍了硬件平台、内核编译、开发环境等内容。如

果仅仅有 Hardware 和 OS，这个系统所能做的事情还非常有限。对于一个实际

的嵌入式产品而言，所提供的功能和应用是关系到产品成败的重要因素。

图 1 基于 uClinux 的嵌入式系统

我们知道，在主流的 Linux 平台上，已经有了非常丰富的、开源的应用程序，

使得开发者很容易获得前人的成果作为参考，编写更适合自己的程序。

然而，对于很多已经在标准 Linux 环境中工作得很好的程序，并不能直接在

uCLinux 环境上运行。一方面，是由于嵌入式的 uCLinux 所使用的处理器和普通

PC 不同，指令集、CPU 结构上的差异导致 uClinux 上运行的程序需要专门为该

类型处理器交叉编译产生；另一方面，uCLinux 是为了没有内存管理单元

（MMU）的处理器、控制器设计，并做了较大幅度的精简，所以，在标准 Linux

上可以使用的一些函数和系统调用在 uCLinux 上有可能就行不通了。

因此，我们有必要了解，在 uCLinux 上的应用程序设计和标准 Linux 程序设

计存在哪些不同之处？应该如何修改，才能让标准 Linux 程序可以移植到

uCLinux 上并正常工作呢？如何才能高效地开发 uclinux 上的应用程序呢？本文

旨在对这些问题进行初步的探讨。

1 uClinux 和 Linux 的异同

uClinux 是针对控制领域的嵌入式 linux 操作系统，它从 Linux 2.0/2.4 内核派

以 MCF5307 微处理器为核心的硬件平台

uClinux 软件平台/操作系统

应用软件

嵌入式系统

生而来，沿袭了主流 Linux 的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元(MMU)的

微处理器/微控制器。没有 MMU 支持是 uClinux 与主流 Linux 的基本差异。

标准 Linux 是针对有 MMU 的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被

送到 MMU，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟－物理

地址转换映射，支持不同任务之间的保护。

对 uCLinux 来说，其设计针对没有 MMU 的处理器，不能使用处理器的虚拟

内存管理技术。uCLinux 仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储

器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有 MMU 管理，所以

实际上 uCLinux 采用实存储器管理策略。uCLinux 系统对于内存的访问是直接的，

所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各

个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够

的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。

同时，uClinux 有着特别小的内核和用户软件空间。熟悉主流 Linux 的开发

者会注意到在 uClinux 下工作的微小差异，但同样也可以很快熟悉 uclinux 的一

些特性。对于设计内核或系统空间的应用程序的开发者，要特别注意 uClinux 既

没有内存保护，也没有虚拟内存模型，另外，有些内核系统调用也有差异。

1.1 内存保护

没有内存保护(Memory Protection)的操作会导致这样的结果：即使由无特权

的进程来调用一个无效指针，也会触发一个地址错误，并潜在地引起程序崩溃，

甚至导致系统的挂起。显然，在这样的系统上运行的代码必须仔细编程，并深入

测试来确保健壮性和安全。

对于普通的 Linux 来说，需要运行不同的用户程序，如果没有内存保护将大

大降低系统的安全性和可靠性；然而对于嵌入式 uClinux 系统而言，由于所运行

的程序往往是在出厂前已经固化的，不存在危害系统安全的程序侵入的隐患，因

此只要应用程序经过较完整的测试，出现问题的概率就可以控制在有限的范围内。

1.2 虚拟内存

没有虚拟内存(Virtual Memory)主要导致下面几个后果：

首先，由内核所加载的进程必须能够独立运行，与它们在内存中的位置无关。

实现这一目标的第一种办法是一旦程序被加载到 RAM 中，那么程序的基准地址

就“固定”下来；另一种办法是产生只使用相对寻址的代码（称为“位置无关代

码”，Position Independent Code，简称 PIC）。uClinux 对这两种模式都支持。

其次，要解决在扁平(flat)的内存模型中的内存分配和释放问题。非常动态的

内存分配会造成内存碎片，并可能耗尽系统的资源。对于使用了动态内存分配的

那些应用程序来说，增强健壮性的一种办法是用预分配缓冲区池(Preallocated

buffer pool)的办法来取代 malloc()调用。由于 uclinux 中不使用虚拟内存，进出

内存的页面交换也没有实现，因为不能保证页面会被加载到 RAM 中的同样位置。

在普通计算机上，操作系统允许应用程序使用比物理内存(RAM)更大的内存空间，

这往往是通过在硬盘上设立交换分区来实现的。但是，在嵌入式系统中，通常都

用 FLASH 存储器来代替硬盘，很难高效地实现内存页面交换的存取，因此，对

运行的应用程序都限制其可分配空间不大于系统的 RAM 空间。

最后，uClinux 目标板处理器缺乏内存管理的硬件单元，使得 Linux 的系统

接口需要作些改变。有可能最大的不同就是没有 fork()和 brk()系统调用。调用

fork()将复制出进程来创建一个子进程。在 Linux 下，fork()是使用 copy-on-write

页面来实现的。由于没有 MMU，uclinux 不能完整、可靠地复制一个进程，也没

有对 copy-on-write 的存取。为了弥补这一缺陷，uClinux 实现了 vfork()，当父

进程调用 vfork()来创建子进程时，两个进程共享它们的全部内存空间，包括堆栈。

子进程要么代替父进程执行（此时父进程已经 sleep）直到子进程调用 exitI()退

出，要么调用 exec()执行一个新的进程，这个时候将产生可执行文件的加载。即

使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不能避免。当子进程执行 exit()或

exec()后，子进程使用 wakeup 把父进程唤醒，父进程继续往下执行。

注意，多任务并没有受影响。哪些旧式的、广泛使用 fork()的网络后台程序

（daemon）的确是需要修改的。由于子进程运行在和父进程同样的地址空间内，

在一些情况下，也需要修改两个进程的行为。

很多现代的程序依赖子进程来执行基本任务，使得即时在进程负载很重时，

系统仍可以保持一种“可交互”的状态，这些程序可能需要实质上的修改来在

uClinux 下完成同样的任务。如果一个关键的应用程序非常依赖这样的结构，那

就不得不对它重新编写了。

假设有一个简单的网络后台程序(daemon)，大量使用了 fork()。这个 daemon

总监听一个知名端口（或套接字）等待网络客户端来连接。当客户端连接时，这

个 daemon 给它一个新的连接信息（新的 socket 编号），并调用 fork()。子进程

接下来就会和客户端在新的 socket 上进行连接，而父进程被释放，可以继续监

听新的连接。

uClinux 既没有自动生长的堆栈，也没有 brk()函数，这样，用户空间的程序

必须使用 mmap() 命令来分配内存。为了方便，在 uclinux 的 C 语言库中所实现

的 malloc()实质上就是一个 mmap()。在编译时，可以指定程序的堆栈大小。

1.3 通用架构的内核变化

在 uClinux 的发布中，/linux/mmnommu 目录取代了/linux/mm 目录。前者就

是修改后的内存管理子系统被修改，去除了 MMU 硬件的依赖，并在内核软件自

身提供基本的内存管理函数。

很多子系统需要被重新修改、添加或者重写。内核和用户内存分配和释放进

程必须重新实现。对透明交互/页面调度的支持也被去除。

内核中，加入了支持“位置无关代码(PIC)”的程序加载模块，并使用了新的

二进制目标码格式，称为“扁平”格式(flat)，用来支持 PIC(有非常紧凑的头部)。

内核也提供了支持 ELF 格式的程序加载模块，用来支持使用固定基准地址的可

执行程序。两种模式各有利弊，传统的 PIC 运行快，代码紧凑，但是有代码大

小限制。例如 Motorola 68K 架构的 16 位相对跳转限制了 PIC 程序不能超过

32kbyte 大小。而采用运行期固定基址的方法使得没有了代码大小限制，不过当

程序被内核加载后招致了较多的系统开销。

1.4 uCLinux 的内核加载方式

uCLinux 的内核有两种可选的运行方式：可以在 flash 上直接运行，也可以

加载到 RAM 中运行。

Flash 运行方式：把内核的可执行映像文件烧到 flash 上，系统启动时从 flash

的某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。

内核加载 RAM 方式：把内核的压缩文件存放在 flash 上，系统启动时读取压

缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可

能更快。同时这也是标准 Linux 系统采用的启动方式。

1.5 uCLinux 的文件系统

uCLinux 系统采用 ROMFS 文件系统，这种文件系统相对于一般的 ext2 文

件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面：首先内核支持 ROMFS

文件系统比支持 ext2 文件系统需要更少的代码；其次 ROMFS 文件系统相对简

单，在建立文件系统超级块（superblock）需要更少的存储空间。ROMFS 文件

系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟 RAM 盘的方

法进行处理（RAM 盘将采用 ext2 文件系统）。

应用程序如果需要以文件方式交换数据，可以将它存储在/tmp 目录下。这一

目录实质上就是虚拟的 RAM 盘。不过在掉电时，这些数据就会丢失。

如果希望在掉电时，信息仍然可以保持，那么就要把它写到 FLASH 中。这

时，就可以使用 JFFS 这一文件系统，在 uClinux 的发布中，文件

“/linux/drivers/block/flash.c”中提供的 JFFS 代码可以参考。

另外，还需要修改/linux/.config 和 include/linux/autoconf.h 中的有关内容，

增加对 FLASH 和 JFFS 的编译。

2 uClinux 程序设计要点

2.1 软件开发工具

可以免费获得的 GCC(GNU C Compiler)无疑是 uClinux 上最佳的开发工具。

uClinux 系统的软件开发需要在标准 Linux 平台上用交叉编译工具来完成。

除了前面所提到的一些涉及内存和系统调用的程序之外，在 x86 版本的 gcc 编

译器下编译通过的软件通常不需要做大的改动就可以用交叉编译工具编译到

uClinux 上运行。

交叉编译器可以从下面网址获得：

http://www.uclinux.org/pub/uClinux/m68k-elf-tools/

目前最新的版本是 2.95.3：m68k-elf-tools-20020410.tar.gz

交叉编译器直接解在根目录（/）下就行了：（注意当前目录是/，而且

m68k-elf-tools-20020218.tar.gz 要在/下）

tar xzf m68k-elf-tools-20020218.tar.gz

它会自动在/usr/local/下建立起整套 m68k 的 ELF 交叉编译器，要编译自己

的简单 C 程序就可以用/usr/local/bin/m68k-elf-gcc，例如，源代码为 test.c，那

么可以这样编译：

/usr/local/bin/m68k-elf-gcc –Wall -elf2flt -m5307 test.c –lc –o test.out

参数“-Wall”指定产生全部的警告；-elf2flt 指定自动调用 elf 转换 flat 格式

的工具；-m5307 指定了处理器的指令集；-lc 指定了链接信息(ld)；-o 指定输出

文件的名字。

编译成功后得到的 test.out 就可以在 uClinux 环境上运行（通过 nfsmount、

smbmount，或者直接放到内核映像中都可以）。

也可以建立一个简单的 Makefile 来做这件事情：

CC = /usr/local/bin/m68k-elf-gcc

all:

$(CC) -Wall -elf2flt -m5307 test.c -lc -o test.out

通过 GDB 可以调试目标板，Coldfire 处理器可以通过 Motorola 的 BDM 作

为调试接口，可以在不干扰程序正常运行的情况下调试目标板上的内核。如果处

理器不支持，那么在内核中需要插桩(stub)，GDB 和 stub 通过串行口或者以太

网通讯。

2.2 可执行文件格式

先解释几种可执行文件格式。

coff（common object file format）：一种通用的对象文件格式；

elf（excutive linked file）：一种为 Linux 系统所采用的通用文件格式，支持

动态连接和重定位；

flat：扁平格式。elf 格式有很大的文件头，flat 格式对文件头和一些段信息做

了简化，可执行程序小。

uCLinux 系统目前支持 flat 和 elf 两种可执行文件格式。

2.3 uCLinux 的应用程序库

uCLinux 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来

越全的 glibc 库，uClibc 对 libc 做了精简。

最新版本的程序库可以从这个网址获得：

http://uclibc.org/download/uClibc-0.9.10.tar.gz

uCLinux 对用户程序采用静态链接的形式，这种做法会使应用程序变大，但

是基于内存管理的问题，也就是基于没有 MMU 的特性，只能这样做，同时这种

做法也更接近于通常嵌入式系统的做法。

uClibc 提供大多数的类 UNIX 的 C 程序调用。如果应用程序需要用到 uClibc

中没有提供的函数，这些函数可以加到 uClibc 中、或者作为一个独立的库、或

者加到应用程序上面来进行链接。

2.4 裁减 uCLinux 以适合自己的应用

不同的嵌入式系统之间的根文件系统内容差异很大。uClinux 的发布包括一

个根文件系统，实现了一个小型的类 UNIX 服务器，在串口上有控制台，telnet

daemon，web server，NFS 客户端支持和一些可选的常用工具。

但是，有的系统设计可能不需要控制台，例如，如果设计一个可以播放 MP3

的随身 CD 机，内核只需要支持 CD 驱动、并行 I/O 和音频 DAC。而在用户空间

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