为什么需要mmu?

我们知道应用程序是不能随意访问内存的，如果让应用程序直接访问物理内存，那么计算机是很危险的，计算机内存的所有内容将被完全暴露出来。所以出现了mmu，mmu是内存管理单元，应用程序访问的是虚拟内存，虚拟内存够通过mmu的转换后，变成物理内存，物理内存对应的就是实际上物理存储磁盘上的地址。

主线的linux代码，正常运行是需要mmu机制的。

但是如果想运行没有mmu的linux内核代码也不是不可以，就需要进行裁剪和配置，最困难的就是调试。

mmu模块一般是CPU的一个内部组成部分，当然，也存在位置mmu的情况。

如果想运行没有mmu的linux内核代码，不妨看看uclinux

什么是uclinux？

在uClinux这个英文单词中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"针对微控制领域而设计的Linux系统"。

uclinux和linux的区别

没有虚存管理单元mmu
不能运行时增加进程栈
不支持分页
可执行程序不是elf, 而是flat
不能用fork, 而是用vfork
RAMDISK

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.前者是修改后的内存管理子系统被修改,去除了MMU的硬件依赖,并在内核软件自身提供基本的内存管理函数.

很多子系统需要重新修改,添加或重写.内核和用户内存分配及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"内核无关代码(PIC)"的程序支持模块,并使用了新的二进制目标代码格式,称扁平格式,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32KB大小,而采用运行期固定基准地址的方法上市的程序代码没有了大小限制,但当陈旭被内核加载后导致了较多的系统开销.对于内核开发者来说,uCLinux基本上与Linux没有区别,唯一的区别就是不能利用MMU提供的内存管理.实际上这对内核并没有影响. Linux下所有标准的可执行文件的格式在uCLinux并不被支持,因为这些格式也用到了虚拟内存的一些功能.uCLinux使用的是另外一种扁平格式.扁平格式是一种简洁高效的可执行文件格式,它值包含可执行的代码和数据,还有一些把可执行文件加载到内存任意位置所需要的可重定位的信息.

总结：在应用程序移植到uClinux，以及自己写代码的过程中，我们将始终围绕这几个特性来做：

1、在configure时，如果可能则需要在configure时，选上—disable-shared和—enable-static.

2、将源代码中所有出现的fork()改成vfork();

3、在Makefile中的交叉编译器和编译选项，链接选项里加上-Wl,-elf2flt。尽管这只是一个链接选项，但我还是小心地在LDFLAGS和CFLAGS，甚至在CC中指定了该选项。

改选项是将ELF格式转换成uClinux所能识别的FLAT格式。在做这个转换过程，我们是不能对ELF文件使用strip去除一些信息，更有甚者不能使用-O2 选项来优化代码。因为去掉的某些信息可能导致最终生成的FLAT格式文件运行出现问题。