為什么需要mmu?

我們知道應(yīng)用程序是不能隨意訪問內(nèi)存的，如果讓應(yīng)用程序直接訪問物理內(nèi)存，那么計算機是很危險的，計算機內(nèi)存的所有內(nèi)容將被完全暴露出來。所以出現(xiàn)了mmu，mmu是內(nèi)存管理單元，應(yīng)用程序訪問的是虛擬內(nèi)存，虛擬內(nèi)存夠通過mmu的轉(zhuǎn)換后，變成物理內(nèi)存，物理內(nèi)存對應(yīng)的就是實際上物理存儲磁盤上的地址。

主線的linux代碼，正常運行是需要mmu機制的。

但是如果想運行沒有mmu的linux內(nèi)核代碼也不是不可以，就需要進行裁剪和配置，最困難的就是調(diào)試。

mmu模塊一般是CPU的一個內(nèi)部組成部分，當然，也存在位置mmu的情況。

如果想運行沒有mmu的linux內(nèi)核代碼，不妨看看uclinux

什么是uclinux？

在uClinux這個英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思， 所以uClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是"針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)"。

uclinux和linux的區(qū)別

• 沒有虛存管理單元mmu
• 不能運行時增加進程棧
• 不支持分頁
• 可執(zhí)行程序不是elf, ? 而是flat
• 不能用fork, ? 而是用vfork
• RAMDISK

uClinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。適合不具備內(nèi)存管理單元(MMU)的微處理器/微控制器。沒有MMU支持是 uClinux與主流Linux的基本差異。

對uCLinux 來說，其設(shè)計針對沒有MMU的處理器，不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。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。uCLinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，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，各個進程實際上共享一個運行空間。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。

內(nèi)存保護

沒有內(nèi)存保護(Memory Protection)的操作會導(dǎo)致這樣的結(jié)果：

即使由無特權(quán)的進程來調(diào)用一個無效指針，也會觸發(fā)一個地址錯誤，并潛在地引起程序崩潰，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的掛 起。顯然，在這樣的系統(tǒng)上運行的代碼必須仔細編程，并深入測試來確保健壯性和安全。

對于普通的Linux來說，需要運行不同的用戶程序，如果沒有內(nèi)存保護將大大降低系統(tǒng)的安全性和可性；然而對于嵌入式uClinux系統(tǒng)而言，由 于所運行的程序往往是在出廠前已經(jīng)固化的，不存在危害系統(tǒng)安全的程序侵入的隱患，因此只要應(yīng)用程序經(jīng)過較完整的測試，出現(xiàn)問題的概率就可以控制在有限的范 圍內(nèi)。

虛擬內(nèi)存

沒有虛擬內(nèi)存(Virtual Memory)主要導(dǎo)致下面幾個后果：

首先，由內(nèi)核所加載的進程必須能夠獨立運行，與它們在內(nèi)存中的位置無關(guān)。實現(xiàn)這一目標的第一種辦法是一旦程序被加載到RAM中，那么程序的基準地址 就“固定”下來；另一種辦法是產(chǎn)生只使用相對尋址的代碼（稱為“位置無關(guān)代碼”，Position Independent Code，簡稱PIC）。uClinux對這兩種模式都支持。

其次，要解決在扁平(flat)的內(nèi)存模型中的內(nèi)存分配和釋放問題。非常動態(tài)的內(nèi)存分配會造成內(nèi)存碎片，并可能耗盡系統(tǒng)的資源。對于使用了動態(tài)內(nèi)存 分配的那些應(yīng)用程序來說，增強健壯性的一種辦法是用預(yù)分配緩沖區(qū)池(Preallocated buffer pool)的辦法來取代malloc()調(diào)用。

由于uclinux中不使用虛擬內(nèi)存，進出內(nèi)存的頁面交換也沒有實現(xiàn)，因為不能保證頁面會被加載到RAM中的同樣位置。在普通計算機上，操作系統(tǒng)允 許應(yīng)用程序使用比物理內(nèi)存(RAM)更大的內(nèi)存空間，這往往是通過在硬盤上設(shè)立交換分區(qū)來實現(xiàn)的。但是，在嵌入式系統(tǒng)中，通常都用FLASH存儲器來代替 硬盤，很難高效地實現(xiàn)內(nèi)存頁面交換的存取，因此，對運行的應(yīng)用程序都限制其可分配空間不大于系統(tǒng)的RAM空間。

注意： 多任務(wù)并沒有受影響。哪些舊式的、廣泛使用fork()的網(wǎng)絡(luò)后臺程序（daemon）的確是需要修改的。由于子進程運行在和父進程同樣的地 址空間內(nèi)，在一些情況下，也需要修改兩個進程的行為。

很多現(xiàn)代的程序依賴子進程來執(zhí)行基本任務(wù)，使得即時在進程負載很重時，系統(tǒng)仍可以保持一種“可交互”的狀態(tài)，這些程序可能需要實質(zhì)上的修改來在 uClinux下完成同樣的任務(wù)。如果一個關(guān)鍵的應(yīng)用程序非常依賴這樣的結(jié)構(gòu)，那就不得不對它重新編寫了。

假設(shè)有一個簡單的網(wǎng)絡(luò)后臺程序(daemon)，大量使用了fork()。這個daemon總監(jiān)聽一個知名端口（或套接字）等待網(wǎng)絡(luò)客戶端來連接。當客戶端連接時，這個daemon給它一個新的連接信息（新的socket編號），并調(diào)用fork()。子進程接下來就會和客戶端在新的socket上進 行連接，而父進程被釋放，可以繼續(xù)監(jiān)聽新的連接。

uClinux 既沒有自動生長的堆棧，也沒有brk()函數(shù)，這樣，用戶空間的程序必須使用mmap() 命令來分配內(nèi)存。為了方便，在uclinux的C語言庫中所實現(xiàn)的malloc()實質(zhì)上就是一個mmap()。在編譯時，可以指定程序的堆棧大小。

最后，uClinux目標板處理器缺乏內(nèi)存管理的硬件單元，使得Linux的系統(tǒng)接口需要作些改變。有可能最大的不同就是沒有fork()和 brk()系統(tǒng)調(diào)用。調(diào)用fork()將復(fù)制出進程來創(chuàng)建一個子進程。在Linux下，fork()是使用copy-on-write頁面來實現(xiàn)的。由于 沒有MMU， uclinux不能完整、可地復(fù)制一個進程，也沒有對copy-on-write的存取。為了彌補這一缺陷，uClinux實現(xiàn)了vfork()，當父 進程調(diào)用vfork()來創(chuàng)建子進程時，兩個進程共享它們的全部內(nèi)存空間，包括堆棧。子進程要么代替父進程執(zhí)行（此時父進程已經(jīng)sleep）直到子進程調(diào) 用exitI()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。

通用架構(gòu)的內(nèi)核變化:

在uCLinux的發(fā)布中,/linux/mmnommu目錄取代了/linux/mm目錄.前者是修改后的內(nèi)存管理子系統(tǒng) 被修改,去除了MMU的硬件依賴,并在內(nèi)核軟件自身提供基本的內(nèi)存管理函數(shù).

很多子系統(tǒng)需要重新修改,添加或重寫.內(nèi)核和用戶內(nèi)存分配及釋放進程 必須重新實現(xiàn),對透明交互/頁面調(diào)度的支持也被去除. 內(nèi)核中,加入了支持"內(nèi)核無關(guān)代碼(PIC)"的程序支持模塊,并使用了新的二進制目標代碼 格式,稱扁平格式,用來支持PIC(有非常緊湊的頭部).

內(nèi)核也提供了支持ELF格式的程序加載模塊,用來支持使用固定基準地址的可執(zhí)行程序.兩種模式各 有利弊,傳統(tǒng)的PIC運行快,代碼緊湊,但有代碼大小限制.例如Motorola 68K架構(gòu)的16位相對跳轉(zhuǎn)限制了PIC程序不能超過32KB大小,而采用運行期固定基準地址的方法上市的程序代碼沒有了大小限制,但當陳旭被內(nèi)核加載后 導(dǎo)致了較多的系統(tǒng)開銷.對于內(nèi)核開發(fā)者來說,uCLinux基本上與Linux沒有區(qū)別,唯一的區(qū)別就是不能利用MMU提供的內(nèi)存管理.實際上這對內(nèi)核并 沒有影響. Linux下所有標準的可執(zhí)行文件的格式在uCLinux并不被支持,因為這些格式也用到了虛擬內(nèi)存的一些功能.uCLinux使用的 是另外一種扁平格式.扁平格式是一種簡潔高效的可執(zhí)行文件格式,它值包含可執(zhí)行的代碼和數(shù)據(jù),還有一些把可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存任意位置所需要的可重定位的 信息.

總結(jié)：在應(yīng)用程序移植到uClinux， 以及自己寫代碼的過程中，我們將始終圍繞這幾個特性來做：

1、在configure時， 如果可能則需要在configure時，選上—disable-shared和—enable-static.

2、將源代碼中所有出現(xiàn)的fork()改成vfork();

3、在Makefile中 的交叉編譯器和編譯選項，鏈接選項里加上-Wl,-elf2flt。盡管這只是一個鏈接選項，但我 還是小心地在LDFLAGS和CFLAGS， 甚至在CC中指定了該選項。

改選項是將ELF格式轉(zhuǎn)換成uClinux所 能識別的FLAT格式。在做這個轉(zhuǎn)換過程，我們是不能對ELF文 件使用strip去除一些信息，更有甚者不能使用-O2 選 項來優(yōu)化代碼。因為去掉的某些信息可能導(dǎo)致最終生成的FLAT格式文件運行出現(xiàn)問題。