（计算机应用技术专业论文）嵌入式操作系统μclinux剖析与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，人类社会从p c 时代过渡到了以个人数字助理、个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通 信、消费电子) 一体的后p c 时代。在后p c 时代里，嵌入式系统扮演着越来越 重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和数控仿真 等领域。嵌入式系统的开发必将成为未来i t 行业的技术热点【7 】 ”。 嵌入式操作系统 a c l i n u x 是专门为没有存储器管理部件的微处理器而设计 的，l a c l i n u x 由于其代码的开放性、系统的稳定性、强大的网络功能以及优秀的 文件系统支持，在嵌入式设备中得到了广泛的应用。 本文从p c l i n u x 的基本架构出发，对p c l i n u x 操作系统作了深入的探讨，分 析了p c l i n u x 的c 运行库、进程管理、内存管理、文件系统，最后介绍了其在嵌 入式方面应用的有关知识，重点分析了其在进程管理方面的实现原理及方法。 本论文以p c l i n u x 操作系统内核2 6 x 版本为基础，对其各部分源代码做了深入 研究。全文共分为七个章节： 第一章主要确立课题的研究内容，并对l a c l i n u x 操作系统的基本知识作了分 析与引入；第二章重点介绍了p c l i n u x 操作系统的基本架构、启动过程以及其运 行时间库p c l i b c ，从总体上把握p c l i n u x ；第三章详细介绍了i a c l i n u x 进程管理 有关的知识，重点分析了l a c l i n u x 的进程有关各数据项，通过有关函数调用的分 析对进程的创建、状态转换及终止作了深入研究，然后分析了l a c l i n u x 进程调度 器以及进程同步的相关部分，并对2 6 版本与2 4 版本的进程管理做了对比研究； 第四章介绍了p c l i n u x 内存管理，针对没有m m u 的特点，对p c l i n u x 内存管理 的实现过程做了详细分析，章节的最后对l a c l i n u x 与标准l i n u x 的内存管理作了 对比研究；第五章针对l a c l i n u x 操作系统在嵌入式领域应用的特点，对嵌入式系 统中常用的文件系统作了分析和介绍，尤其根据v f s 文件系统的源代码重点剖 析了v f s 文件系统的实现原理和方法：第六章对l _ l c l i n u x 在嵌入式领域的应用 相关知识作了介绍，并重点对p c l i n u x 的移植过程做了分析；第七章对本论文做 了总结和展望，指出了p c l i n u x 的发展前景和p c l i n t t x 对于国内软件业的发展的 重大际遇。 关键字：p c l i n u x ，p c l i b c ，嵌入式系统，进程管理，内存管理，文件系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yi nc o m p u t e ra n dt h ea p p l i c a t i o no f h t e r n e t ， w ea r eg o i n gi n t ot h ep o s t - p ca g ea f t e re x p e r i e n c i n gt h ep ca g e 。i nw h i c hp d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) ，p c a n d i a ( i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ) a l e t h e l e a d e r i n t h ef i e l do f 3 c ( c o m p u t e r ，c o m m t m i c a t i o na n dc o n s u m e ) 。i nt h ea g eo f p o s t - p c ， e m b e d d e ds y s t e mp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ea n di sw i d e l ya p p l i e dt o i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，m o b i l ed g v i c e ，n e t w o r kd e v i c ea n dn u m e r i c a lc o n t r o l e m u l a t o r ，e t e 。i t ss u r et h a t t h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e mw i l lb et h ef o c u so f r r i n t h e f u t u r e 。 p c l i n u x ，t h ee m b e d d e ds y s t e m , i sd e s i g n e df o rt h em i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t m m u t e c h n i c a l l y 。p c l i n u x f o l l o w s t h e g p l ( g e n e r a l p u b l i c l i c e n s e ) a n d i t ss o i i w ：e c o d e si sf r e e 。f o rt h el 般k q o no fi t sw e l ls t a b 嘶，s t r o n gs u p p o r 曲gn e t w o r ka n df i l e s y s t e m ，l l c l i n u xi sa p p l i e dw i d e l yi nt h ee m b e d d e dd c v i 渊。 f r o mt h eb a s i ca r c h i t e c t u r eo fp c l i n u xo n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mi nd e t a i l ，a n di 招c o n t e n t si n c l u d ec n m t i m el i b r a r yp c l i b c ，p r o c e s s s c h e d u l i n g ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，f i l es y s t e ma n do t h e r sr e l a t e dt oa p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m ，a n da m o n gt h e mt h ep r o e m ss c l i e d u l m gi st h em o s ti m p o r t a n t t h e a n a l y s i si sb a s e d0 1 1t h es o u r c ec o d e so f t h ev e r s i o n2 6 xo f p c l i n n x 。t h ep a p e ri s c o m p o s e do f s e v e nc h a p t e r s c h a p t e ro n et e l l st h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra n di n t r o d u c e st h ea b ca b o u t t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp c l i n u x 。c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h ep c l i n u xb a s i c a r c h i t e c t u r e ，t h es t e p so f b o o t i n ga n dp c l i b c ，a n dg i v e sa no u t l i n eo f t h ee m b e d d e d s y s t e mp c l i n u x 。c h a p t e rt h r e ei n 仃o d u c e st h ek n o w l e d g ea b o u tp r o c e s ss c h e d u l i n g ， s p e c i a l l yt h er e l a t e df i e l d so fap r o c e s sa n da n a l y z e st h ep r o c e s sa b o u tc r e a t i o n ， w a n s i t i o na n dd e a t hi nd e t a i la n di nt h ee n do ft h i sc h a p t e r ，c o m p a r e st h ep r o c e s s s c h e d u l i n gb e t w e e nt h ev e r s i o n2 6a n dv e r s i o n2 4 。c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h e m e m o r ym a n a g e m e n tu n d e rh a v i n g1 1 0m m u ，a n a l y z e st h ei m p l e m e n t a t i o no f m e m o r ym a n a g e m e n to fp c l i n u xa n df i n a l l yc o m p a r e st h em e m o r ym a n a g e m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 b e t w e e ns t a n d a r dl i n u xa n dp c l i n u x 。c h a p t e rf i v ei n g o d u c e st h ec o m l n o nf i l e s y s t e m sb a s e do i lt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n da n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f v f st h r o u g hi t st h es o u r c ec o d e s 。c l 1 a ：p t e rs i xi n t r o d u c e st h ek n o w l e d g ea b o u t d e v e l o p m e mo fe m b e d d e ds y s t e ma n da n a l y z e st h ep o r t i n go fl a c l i n u xs p e c i a l l y 。 c h a p t e rs e v e ni sr e g a r d e da sas u m m a r yo ft h ef u l lt h e s i s ，t e l l i n gt h eb l u c p r i mo f p c l i n u xa n di n d i c a t i n gp c l i n u xi st h eo p p o r t u n i t yo f s o f t w a r ei nc h i n a 。 k e y w o r d s ：l a c l i n u x ，p c l i b c ，e m b e d d e ds y s t e m ， m a n a g e m e n t ，f i l es y s t e m 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着计算机技术的发展和微处理器工艺的改进，价格低廉、功能强大、结 构小巧的c p u 和外设为嵌入式设备提供了稳定可靠的硬件架构，从而快速地促 进了嵌入式系统的发展，目前嵌入式系统被广泛应用到网络、手持通信设备、 国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。 嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成为2 1 世纪的应用热点之一。 嵌入式系统通常是面向特定应用的【“。它与p c 上的应用系统不同，嵌入式系统 在于结合微处理器或微控制器的系统电路与其专属的软件，来达到系统操作效 率与成本的最高比。随着后p c 时代的来临，家电、玩具、汽车、新一代手机、 数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将到来的智能型房屋、智能型办公室、以 及其他与电有关的器材设备更是缺少不了嵌入式系统这个核心技术。 从八十年代起，国际上就有一些r r 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统 和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式操作系统，如m i c r o s o f t 公司的w i n c e 和w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 就分别是非实时和实时嵌入式操作 系统的代表 2 】。但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途将提高产品成本 从而失去竞争力。 与此同时，全球每年生产的c p u 数量大概在二十亿颗左右，其中大部分是 应用于专用性很强的各类嵌入式系统。大部分嵌入式系统为了减少系统复杂程 度、降低硬件开发成本和运行功耗，在硬件设计中取消了内存管理单元( m m u ) 模块 3 1 4 j 。最初，运行于这类没有m m u 的c p u 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，并且 所有的应用程序需要重新开发，还要求开发人员十分了解硬件特性。这些都阻 碍了不含m m u 的嵌入式产品开发的速度和应用水平。p c l i n u x 作为当前开放源 代码的嵌入式操作系统，专门针对没有m m u 的c p u 而设计，并且为嵌入式系 统做了许多小型化的工作，在全球嵌入式l i n u x 市场领域所占份额一路飙升，根 武汉理工大学硕士学位论文 据l i n u x d e v i c e s c o r d 网站2 0 0 6 年的调查结果显示，嵌入式l i n u x 在全球嵌入式 市场中所占份额为4 5 4 ，在所有嵌入式操作系统中占据第一位，遥遥领先于其 它嵌入式操作系统，与此同时，在所有嵌入式l n i u x 系统版本中，嵌入式p c l i n u x 占第二位 5 】。 因此对嵌入式操作系统p c l i n u x 进行深入剖析和研究，深入了解其内部架 构，对于进一步做好嵌入式系统的研究和学习有重要作用。 1 2 嵌入式系统操作系统p c l i n u x 1 2 1p c l i n u x 简介 p c l i n u x 是一个g n u 的项目，被设计用在微控制应用领域，其代码完全开 放【6 】m 。 c l i n u x 专门针对没有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 的处理器设计， 支持多任务，具有完备的t c p i p 协议栈并支持多种网络协议。p c l i n u x 支持多 种文件系统，如r o m f s 、n f s 、e x t 2 、j f f s 、m s d o s 及f a t l 6 3 2 等。实际上， p c l i n u x 已经成功应用于路由器、网络摄像机、机项盒、p d a 等诸多领域 8 1 。 1 9 9 8 年1 月p c l i n u x 发行第一版，该版本基于p a l mp d a 实现；1 9 9 9 年2 月份成功移植到m o t o r o l a 的c o l d f i r e 系列处理器m c f 5 2 0 6 和m c f 5 3 0 7 ：p c l i n u x 发行至今已经历多个版本，目前p c l i n u x 支持包括a r m 、m i p s 、s h 、6 8 k 、x 8 6 甚至s p a r c 等高性能处理器，并在6 0 个以上基于这些处理器的开发平台成功 实现【8 】。 1 2 2p c l i n u x 的特点 p c l i n u x 是针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，它从l i n u x 内核派生而 来，沿袭了主流l i n u x 操作系统的绝大部分特性。适合不具各内存管理单元 ( m m u ) 的微处理器或微控制器。没有m m u 是p c l i n u x 与标准l i n u x 的基本 差掣9 1 。 标准l i n u x 是针对有m m u 的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被 送到m m u ，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，支持不同任务之问的保护【“。 2 武汉理工大学硕士学位论文 对l a c l i n u x 来说，其设计针对没有m m u 的处理器，不能使用处理器的虚拟 内存管理技术。但p c l i n u x 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m m u 管理， 所以实际上p c l i n u x 采用实存储器管理策略。p c l i n u x 系统对内存的访问是直接 的，所以程序中访问的地址都是实际的物理地址【1 1 】【1 2 1 1 3 】。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 为该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e e t l 4 1 。 同时，p c l i n u x 有着特别小的内核和用户软件空间，它既没有内存保护，也 没有虚拟内存模型。 1 3 课题研究的主要内容 本课题在跟踪嵌入式操作系统p c l i n u x 不断发展进步的基础上，以当前最稳 定内核版本2 6 x t l 辄1 6 1 1 7 1 8 】为对象，对p c l i n u x2 6 x 进行深入剖析和研究。本文 主要将主要完成如下几个方面的工作n 9 1 【2 0 】【2 1 】i 竭： ( 1 ) 剖析与研究) l c l i m a x 内核基本架构，对其启动过程以及c 运行时间库 p c l i b e 等进行剖析。 ( 2 ) 剖析与研究g c l i n u x 进程管理，通过关键函数的分析了解其实现原理 及o ( 1 ) 调度算法等。 ( 3 ) 剖析与研究l a c l i n u x 内存管理的实现，与l i n u x 内存管理策略相对比， 分析其优劣。 ( 4 ) 剖析与研究p c l i n u x 文件系统，针对嵌入式应用的特点，p c l i n u x 的文 件系统的特殊性。 ( 5 ) l a c l i n u x 应用研究，介绍相关软件开发知识及移植过程。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基本架构 2 1 a c l i n u x 基本架构 嵌入式操作系统p c l i n u x 主要有三个基本部分组成：引导程序、p c l i n u x 内 核( 由内存管理、进程管理和中断处理等构成) 和文件系统【2 3 】f 2 4 】。其基本架构 如图2 - 1 所示。 图2 - 1p c l i n u x 的基本架构 由图所示结构可以看出，其功能与l i n u x 基本相同，不同的只是对内存管理 和进程管理进行改写，以满足无m m u 处理器的要求。下面对图中主要组成部 分作简要介绍。 ( 1 ) 启动模块 启动模块负责用来启动p c l i n u x 内核，包括c h i ps e l e c t o r 初始化，系统堆栈 初始化，把压缩的p c l i n u x 映像从f l a s h 中解压到r a m 中，并把控制权交给内 核的初始化例程。 ( 2 ) 内核初始化 内核初始化的入口地址是：s t a r t _ k e r n e l ( 在i n i v m a i n c 中) ，它初始化内核 的其他部分，包括异常( t r a p ) 、中断( i r q ) 、内存页( p a g e ) 、调度( s c h e d u l i n g ) 、 4 ilf刮引引llj_11f。，-。【 门目田d 武汉理工大学硕士学位论文 驱动程序等，并启动i n i t 进程进入多任务环境【2 5 1 。 ( 3 ) 系统调用处理异常处理 当i n i t 程序运行后，内核对整个系统的运行不再进行直接控制，而是通过系 统调用给应用程序提供服务和响应外部及内部的异步事件。用户程序如果想得 到系统资源，必须通过系统调用。当用户进程发生中断后，内核获得控制权， 取得系统调用的参数，并调用相应的处理程序，而用户一直被挂起，直至0 内核 完成处理并返回。 ( 4 ) 驱动程序 驱动程序是p c l i n u x 内核的主要组成部分，它们控制着操作系统和外部设备 的交互。p c l i n u x 中驱动程序是可选的，但典型的系统通常包括一个控制台 ( c o n s o l e ) 驱动程序，一个通用串口驱动程序以及一个块设备驱动程序。 ( 5 ) 文件系统 i j c l i n u x 与l i n u x 一样支持多种文件系统，并针对嵌入式系统的特点作了一 些取舍。在p c l i n u x 中，由于硬件资源和使用环境的限制，通常采用的文件系统 有r o m f s 文件系统，虚拟6 山d i s k 、j f f s 文件系统，对于网络设备的系统， 还可以使用n f s 文件系统。 ( 6 ) 内存管理 p c l i n u x 是针对没有m m u 的处理器设计的，不能使用处理器的虚拟内存管 理技术，但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m m u 管理，所以实际上p c l i n u x 采用实存储器管理策略，这种策略导致用户程序和内核以及其他用户程序在同 一个地址空间，所以要在开发时就考虑程序间的安全保护问题。 ( 7 ) 进程管理 1 1 c l i n u x 不支持m m u ，这对它的多进程管理造成了一定的影响。在标准 l i n u x 中，父进程用系统调用f o r k 来创建子进程，子进程是父进程的精确拷贝， 父子进程拥有各自的地址空间，从f o r k 调用后同时开始运行。标准l i n u x 中的 f o r k 操作是非常高效的，这主要是由于采用了写拷贝( c o p yo i lw r t e ) 技术，这 种技术依赖于m m u 的支持，因而无法用于l a c l i n u x 。在l a c l i n u x 中，所有进程 共享一个全局的地址空间，f b r k 产生的子进程中的指针仍然指向父进程中的数 据。基于以上两点原因，l a c l i n u x 取消了f o r k 操作。标准l i n u x 还可以用系统调 用v f o r k ( v i r t u a lf o r k ) 来创建进程，但其语义和f o r k 是不同的。在v f o r k 调用之 武汉理工大学硕士学位论文 后，父进程将自己的内存空间租借给子进程，即父子进程占据同一块内存区域， 父进程在v f o r k 调用之后开始睡眠，直到子进程调用e x c c 或e x i t ，内核才将内存 空间返还给父进程，并将之唤醒。v f o r k 不涉及整个地址空间的数据复制，且不 会产生子进程中的指针指向父进程中的数据这样的问题，因此它的语义更加适 合于l a c l m u x 环境。事实上，l a c l i n u x 正是采用基于v f o r k 的进程创建方案。需 要指出的是，由于v f o r k 调用之后父子进程共享同一块内存区域，子进程必须尽 快的调用e x e c ( e x i t ) ，并且在v f o r k 和e x ( e x i t ) 之间不修改父进程的数据， 也不破坏父进程的堆栈环境，否则极易引起系统崩溃【2 酗。另外，大量现代的应 用程序( 如许多网络服务程序) 依靠f o r k 的语义来提高系统的吞吐率和缩短响 应时间，它们必须经过适当的修改才能在p c l i n u x 上运行。 ( 8 ) 运行时间库 运行时间库( cr u n t i m el i b ) 提供了用户程序和内核程序的接口，它和内 核共同决定了系统的性能。l a c l i b e 就是经过裁减后的适用于嵌入式设备的c 运 行时间库。它由g n ug l i b c 库移植而来。除了去掉了大部分不适合嵌入式系统的 代码以外，还对应用程序的入口代码，系统调用的a p i ，输入输出过程等进行了 修改，并增加了对平板存储器结构的支持。 2 2p c l i n u x 启动过程 根据内核是否压缩以及内核是否本地执行，p c l i n u x 通常有两种启动方式： f l a s h 本地执行方式和压缩内核加载方式。第二种方式是将内核的压缩映像固化 到f l a s h 上，系统启动时在内存中解压，然后在内存中执行，这种启动方式较之 第一种方式运行速度更快。 | l c l i n u x 系统启动过程可以总结为三个阶段： ( 1 ) b 0 0 t l o a d e r 初始化阶段； ( 2 ) p c l i n u x 内核初始化阶段； ( 3 ) p c l i n u x 加载引导完成，启动i n i t 进程。 2 2 1b o o t l o a d e r 初始化 b o o t l o a d e r 是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序， 通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统 武汉理工大学硕士学位论文 的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核或用户应用 程序准备好正确的环境。在本质上，b o o t l o a d e r 不属于操作系统内核，它采用汇 编语言编写，依赖于具体的硬件实现，因此针对不同的c p u 体系结构，这一部 分代码不具有可移植性 2 7 1 ，在移植操作系统时，这部分代码必须加以修改。这 部分的代码实现主要在文件a r c h 3 8 6 k e m e l h e a d s 中。 概括来讲，b o o t l o a d c r 在系统启动时主要完成以下几项工作： ( 1 ) 将操作系统内核从f l a s h 复制到s d r a m 中，如果是压缩格式的内核， 还要进行解压缩； ( 2 ) 改写系统的m e m o r ym a p ，原先f l a s h 起始地址映射为0 地址，此时需 要将r a m 的起始地址跌射为0 ； ( 3 ) 设置堆栈指针并将b s s 段清零，以备以后执行c 语言程序和调用子函 数时使用； ( 4 ) 改变p c 值，使得c p u 开始执行真正的操作系统内核。 2 2 2 ) a c l i n u x 内核初始化 b o o t l o a d 日程序执行完上述各项操作后，通过跳转指令j i 印s t a r tk e r n e l 转移 到i n i t m a n c 文件中的函数s t a r tk e r n e l ( ) 开始操作系统内核初始化。 s t a r tk e r n e l 0 完成一系列初始化的工作【2 8 】： ( 1 ) p r i n t k ( ) ，显示 l c l i n u x 内核的版本信息。 ( 2 ) s e t u p _ a r c h ( ) ，做与体系结构相关的初始化工作。 ( 3 ) p a r s ea r g s ( ) ，解析传递给内核的参数。 ( 4 ) 们p - i 血( ) ，设置系统异常的入口点。 ( 5 ) i n i t _ i r q ( ) ，初始化系统中断服务。 ( 6 ) r 沁h r ai n i t ( ) ，初始化系统调度器。 ( 7 ) m f l i r qi n i t ( ) ，初始化系统软中断。 ( 8 ) t i m e _ i n i t ( ) ，初始化时钟、定时器。 ( 9 ) c o n s o l ei n i t ( ) ，初始化控制台。 ( 1 0 ) m e a li n i t ( ) ，初始化内存。 ( 1 1 ) k m e mc a c h e _ i n i t ( ) ，初始化内核c a c h e 。 ( 1 2 ) c a l i b r a t e _ d e l a y ( ) ，校准，进入时延校准循环。 ( 1 3 ) f o r k _ i n i t ( ) ，建立u i d c a c h e ，并根据系统内存大小确定最大进程数目。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 4 ) b u f f e r i n i t ( ) ，初始化块设备缓冲区。 ( 1 5 ) c h c c k _ b u g s ( ) ，检查体系结构漏洞。 2 2 3 启动i n i t 进程 函数s t a r t _ k e r n e l ( ) 运行结束之后，基本的a c l i n u x 核心环境就确立了，在 s t a l lk e r n e l ( ) 函数的最后调用i n i t ( ) 函数，开始启动i n i t 进程。i n i t ( ) 函数 作为核心线程，将会首先锁定内核( 仅对s m p ( s y m m e t r i cm u l t i p r o c e s s o r ，对 称式多处理器) 系统有效) ，然后调用d ob a s i cs e t u p ( ) 来完成外部设备及其驱 动程序的加载。 在d o _ b a s i cs e t u p ( ) 函数调用完成后，会返回i n i t ( ) ，待释放了初始化内 存段( 由函数f r e ei n i u n a n ( ) 完成) 函数所用的内存空间并给内核解锁以后， i n i t ( ) 将打开d e v c o n s o l e 设备，并重定向s t d i n 、s t d o u t 和s t c l 廿 r 到控制台，最 后，搜索文件系统中的i n i t 程序( 或者由i n i t = 命令行参数指定的程序) 并使用 c x o c v c ( ) 系统调用加载执行i n i t 程序。此时，p c l i n u x 内核的初始化工作全部 完成，开始用户态进程的初始化工作。 2 3p c l i n u x 系统的运行时间库p c l i b c 分析 p c l i n u x 早期使用的c 运行库是1 j c 1 i b c ，它是基于l i n u x 8 0 8 6c 库的源码 开发的。虽然这是一个相对比较完善的c 运行库实现，但仍然有许多不足，比 如有些a p i 是非标准的，尤其有相当多的常用c 库程序并没有设计出来，当时 的设计追求就是小而精，一般情况下，p c 1 i b c 能稳定的支持m 6 8 0 0 0 、c o l d f i r e 以及不带m m u 的a r m 架构。u c 1 i b c 设计过程中，尽力去迎合当时的众多标 准，而且其a p i 也尽量更多的与1 i b c 库兼容，但最终是事与愿违。 p c l i b c 正是为了解决前述的问题而设计出来的，它修正了所有的a p i 标准， 补充了许多遗漏的程序，而且能够被移植到更多的体系架构中去。p c l i b c 能够 提供西i b c ( g n uc 库) 一样的兼容性，这使得它的应用程序的移植变得很容易， 但体积却比g l i b c 小很多，以当前p c l i b c 最新版本为例，其基本c 语言函数库仅 为3 0 3 k ，而通常g l i b c 为1 4 m 左右。为了达到更紧凑的目的，在众多的有m m u 支持的平台上也能够被编译为共享库。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 用户程序的入口 用户程序般从m a i n 开始口明，其入口点是c 运行库的一部分。这部分代码 执行初始静态数据，并将参数a r g c 和a r g v 传递到m a i n 函刻刈。参数和环境变 量一般根据宏程序s t a r t _ t h r e a d ( 在i n c l u d e p r o c p r o c e s s o r h 中定义) 的调用约定， 放在寄存器或者堆栈中。系统调用s y s利用建立一个虚拟环e x e c v e s t a r tt h r e a d 境，程序入口代码可以把s t a r t _ t h r e a d 所建立的环境恢复出来，并调用文件 u c l i b c l i b c m i s c i n t e m a l s u c l i b cm a i l l c 中的u c l i b cm a i n 。在u c l i b cm a i n 中再调用用户程序的m a i n 。宏s t a r tt h r e a d 的定义如下： # d e f i n es t a r tl l l r e a d ( r e g s ，n we i p ，n e w _ e s p ) d o 、 a s m ( ”m o v lo d ) ，缸；m o v l 0 ，铲”：y ( 0 ) ) ； 、 - t _ f s ( u s e r _ d s ) ； r e g s - x d s2 _ _ u s e r _ d s ； 、 r e g s 榴= _ _ u s e r _ d s ； 、 r e g s - t ；= v s e rd s ； 、 r e 爹- x c s = u s e rc s ； r c g s - e i p = n e weip；| ”g s - 卸2 n e we s p ； ) w h i l e ( o ) 2 3 2 用户程序的堆和栈分配 用户程序通过调用m a l l o c 从堆( h e a p ) 中分配内存。在标准l i n u x 中由于 有虚拟存储器，支持分段存储，所以可以在堆的最高端到栈的最低端之间留有 很大的虚拟空间用作堆空间的扩展。但p c l i n u x 为平面存储系统，没有虚拟空间， 所以堆空间改用m m a p 调用来分配。在 _ l c l i b c 中，内存分配算法非常简单直接， 存储器的管理完全依靠内核的页机制来完成。参照图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 高端地址 d o o o 删 ( 虚拟地 址) 虚拟间隙 高端地址 0 0 e a - 6 0 0 0 ( 物理地 址) 低端地址 o o c g - 0 0 0 0 ( 物理地 址) 【) 虞拟存储( b ) 平扳存储 图2 2 虚拟存储与平板存储 从图2 - 2 中可以看出，堆栈与静态数据物理上相连，因此它们必须要有足够 的空间以防止覆盖静态数据和代码。标准l i n u x 程序中可以通过在堆和栈之间留 有足够大的空间同时监控页的使用情况来防止堆栈溢出，而p c l i n u x 中由于没有 内存保护机制，在程序链接时必须合理设定堆栈的大小来防止堆栈溢出。 2 3 3 用户程序的执行文件格式 p c l i n u x 系统使用f l a t 可执行文件格式，可以使用e l i 2 f l t 工具把e l f 格式的 可执行文件转化为f i a t 文件。当用户执行一个应用时，内核的执行文件加载器 ( f s b i n f m t _ f l a t c ) 将对f l a t 文件作进一步处理，主要是对代码段和数据段进行 修正。之所以要修正，是因为应用程序在链接时并不知道它要在系统哪一段地 址上面运行，这就要求程序在任何地址上都要能运行，也就是说与地址无关。 这个特性由针对p c l i n u x 的编译器和连接器来提供。 2 3 4 用户程序的执行 用户编写的c 程序由m a i n 函数开始执行，之所以如此，是由运行时间库 p c l i b c 决定的，一般用户用c 语言开发时会调用一些库函数，编译成o b j 文件后， 要通过链接程序把库函数的二进制代码链接到程序中，最后形成二进制可执行 文件。在链接过程中，链接器会在用户程序前插入一些初始化代码，这段代码 在u c l i b c l i b c s y s d e p s l i l l l i ) 【c n o s 中。在文件c r t o s 的最后会包含个转移指令 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 c a i u c l i b cm a i n ，这条指令使得用户程序都要从m a i n 函数开始执行。 下面以u c i i n u x 中f l a t 格式可执行文件为例，分析m a i n 函数的a r g c ，a r g v 参 数传递过程。首先假设已经将用户程序转换成n a l 格式。在执行程序的时候，操 作系统会调用d o _ e x c c v e ( ) ，该操作将根据文件路径打开文件，装入内存，a r g v 存放命令行参数，e n v p 存放环境变量。装入文件时，系统会根据不同的文件格 式调用不同文件的装入处理程序h a n d l e r ，对于f l a t 格式，系统会调用 l o a de a tb i n a r y ( ) ( 定义在f s b i n f i n t _ f l a t c 中) 。根据所传递的a r g v 、e n v p 等参 数，在函数c r e a t e f i a t t a b l e s 里建立参数表。函数实现代码如下： s 喇ci m s i g n e dl o n gc r e a t ef l a tt a b l e s ( u n s i g n e dl o n gp p ， 蚰 u c tl i n u xb i n p r m b p r m ) 严以下6 语句是变量声明，其中a r g c 和c n v c 分别记录前面已经计算出来参 数个数和环境变量参数个数。p ：p p 是参数和环境变量数组的指针，s p 是要执行 程序的用户区堆栈。 u n s i g n e dl o o g 娜 c a r p ； 瑚s i 酗d l o n g + s p ； c h a r + p2 ( c h a r * ) p p ； i ma r g c2 b p r m - - a r g c ； 缸e n v c2b i e m - e n v c ； c h a rd u m m y ； 印= ( t m s i g n e ，dl o n g + ) ( ( - ( u n s i g u e dl o n g ) s i z e o f ( c h a r 。) ) & ( u a s i g n e dl o n g ) p ) ； 以下4 语句是一次堆栈调整，首先印移动翩v c + 1 个单位，这e n v c + 1 个单 位空间用来存放一共e n v c 个e n v p o v a v c e n v p - 1 元素的地址，多余一个放0 ， 表示e n v p 数组结束。然后s p 再移动a r g c + 1 个单位，留出a r g c + 1 个单位空间， 这a r g c + 1 个单位用来存放a r g c 个a r g v o - a r g v a r g c - 1 】元素地址，多余一个也放 0 ，表示a r g v 数组结束。经过堆栈调整，a r g v 和c n v p 各自指向自己在堆栈中的 位置。如果开始堆栈初值记为i n i l s p ，则现在e n v p = i n i t _ s p - ( 哪c + 1 ) ， a r g v = c n v p - ( a r g c + 1 ) a 。 s p 。e n v c + l ；一， e n v p 2s p ； 即。a r g o + l ； a r g v 5 印； 武汉理工大学硕士学位论文 f l a t _ s t a c k _ a l i g n ( s p ) ； ，以下5 语句又是一次堆栈调整，s p 再移动1 个单位，然后将e n v p 放入这 个地址( 此时e n v p = i n i t _ _ s p - ( e n v 叶1 ) ) ，然后又将s p 移动一个单位，将a r g v 写 入，接着将a r g c 写入。 i f ( i l a t _ a r g v pe n v po n _ s t a c k o ) - - s p ；p u tu m ( ( u m i g n * dl o n g ) e n v p ，s p ) ； - s p ；p l l t - u s e ( u n s i g n e dl o n g ) a r g v s p ) ； ) p u t _ u s e r ( a r g c ，唧) ； ，以下1 8 条语句将a r g v o - a r g v a r g c 一1 】( 在p 所指向地方) 依次写入a r g v 所指堆栈区域中，然后再将, n