嵌入式操作系统原理

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1、嵌入式操作系统原理 嵌入式LINUX操作系统开发l体系结构概览l进程与调度管理l内存管理l文件系统l系统调用体系结构概览体系结构概览l内核的功能l进程控制(process management)l内存管理(Memory management)l文件系统管理(Filesystem management)l设备驱动程序(Device control)l网络(Networking)内核层次l内核在系统中的位置l用户进程l系统调用接口l内核l硬件l什么是Linux内核？l从程序员的角度l从用户的角度系统调用l内核提供的一套C语言函数库称为系统调 用l应用程序使用系统调用完成编程任务l系统调用分类l进程

2、管理l进程间通信(IPC)l文件系统管理l网络编程(Socket)Linux结构Linux进程管理lLinux是一个多任务多用户操作系统l一个任务(task)就是一个进程(process)l每一个进程都具有一定的功能和权限，它 们都运行在各自独立的虚拟地址空间。l在Linux中，进程是系统资源分配的基本 单位，也是使用CPU运行的基本调度单位 。 Linux进程概述 l程序映像l存放在磁盘上的可执行文件的代码和数据的集合称为可执行映 象(Executable Image)，即程序l当一个程序（可执行映象）装入系统中运行时，它就形成了一 个进程l进程映像l进程是由正文段(text)、用户数据段(

3、user segment)和系统数据 段(system segment)组成的一个动态实体。l正文段中存放着进程要执行的指令代码，具有只读的属性，l用户数据段是进程在运行过程中处理数据的集合，它们是进程 直接进行操作的所有数据， 以及进程使用的进程堆栈。l系统数据段存放着进程的控制信息。其中包括进程控制块PCB 。进程控制块PCBl进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构，称为任务结构体l任务结构体中容纳了一个进程的所有信息，是系统对进程进行管理 和控制的有效手段，是系统实现进程调度的主要依据 l当一个进程被创建时，系统就为该进程建立一个task_struct任务结 构体。当进

4、程运行结束时，系统撤消该进程的任务结构体 lLinux在内存空间中开辟了一个专门的区域存放所有进程的任务结 构体，在操作系统的内核空间设置了一个task数组，该数组的每一 个元素是一个指向任务结构体的指针,所以task数组又称为task向量 。 l进程的任务结构体是进程存在的唯一标志，调度程序维护current指 针，它指向当前正在运行的进程。Linux调度分析lLinux进程的状态变化进程状态l运行态：进程正在使用CPU运行的状态。处于运行态的进程又称为 当前进程（current process） l可运行态：进程已分配到除CPU外所需要的其它资源，等待系统把 CPU分配给它之后即可投入运行

5、l等待态：又称睡眠态，它是进程正在等待某个事件或某个资源时所 处的状态。 等待态进一步分为可中断的等待态和不可中断的等待 态。处于可中断等待态的进程可以由信号(signal)解除其等待态。 处于不可中断等待态的进程，一般是直接或间接等待硬件条件。 它只能用特定的方式来解除，例如使用唤醒函数wake_up()等l暂停态：进程需要接受某种特殊处理而暂时停止运行所处的状态。 通常进程在接受到外部进程的某个信号进入暂停态，例如，正在接 受调试的进程就处于这种状态。 l僵死态：进程的运行已经结束，但它的任务结构体仍在系统中。核心态和用户态lLinux的进程处理机上运行时，处理机提供了两种不同 的的执行状

6、态，核心态(kernel mode)和用户态(user mode)。l核心态又称系统态，它具有较高的特权，能执行所有的 机器指令，包括由操作系统执行的特权指令，能访问所 有的寄存器和存储区域，能直接控制所有的系统资源。 Linux在执行内核程序时是处于核心态下。l用户态是进程的普通执行状态，在用户态下进程具有较 低的特权， 只能执行规定的机器指令，不能执行特权 指令。进程在用户态下只能访问进程的存储空间。在用 户态下进程不能与系统硬件相互作用，不能访问系统资 源。Linux进程调度方式lLinux系统采用抢占调度方式，又称可剥 夺调度方式。采用这种调度方式时，对于 当前运行的进程而言，当有更紧

7、急的进程 到来时，系统将剥夺当前进程使用处理机 的权利，立即停止它在处理机上的运行， 而把处理机分配给那个更紧急的进程。lLinux采用时间片轮转法。对某个运行中 的进程，当它的时间片用完时，系统将停 止它的运行并把处理机分配给其它进程。Linux进程调度方法lLinux进程调度采用动态优先级法，调度 对象是可运行队列，l可运行队列中优先级大的进程首先得到 CPU投入运行。l进程在运行中，counter的代表进程的动 态优先级。lLinux采取了加权的方法来保证实时进程 优先于普通进程。进程调度时机l时机1进程状态发生变化时。l处于运行态下的进程要等待某种资源，l运行态下的进程在程序执行完毕后

8、，一般通过调用 内核函数do_exit()终止运行并转入僵死态。l处于等待态的进程被唤醒后，将加入到可运行队列 中时。l进程从运行态转入暂停态时。l进程从暂停态成为可运行态时。 l时机2当前进程时间片用完时。l时机3进程从系统调用返回到用户态时。l时机4中断处理后，进程返回到用户态时。Linux内存管理模式lMMU内存管理lMMU是内存管理单元l内存的管理单位是页(page),通常是4K或8Kl虚拟地址与物理地址l物理地址可以位于RAM/FLASH/DISKl经过MMU,虚拟地址可以转化成物理地址lMMU可以在转换过程中检查权限，以保护内存不受 非法访问l如果没有MMU,进程与内核之间无法隔离

9、和保护，系 统容易崩溃17Linux的三级目录lLinux采用三级目录底层MMU支持实现 存储管理，可以适应64/32位CPUl三级目录是页面目录、中间目录和页表进程空间和内核空间l进程名义上有4G的空间l实际上只有3G属于进程本身l虚拟系统空间占据高位1GLinux内核启动分析l搭建开发环境l宿主机和目标机l交叉编译l编译引导程序（u-boot或者vivi)l编译内核（mizi linux)l编译根文件系统l使用JTAG将编译好的映像写入目标板l可以写入到Nor Flash当中l可以写入到Nand Flash当中Linux内核启动分析l上电lCPU根据设置读取Flash中的Bootloade

10、rlBootloader作两段式加载lBootload将控制权移交给内核lBootloader事先检测硬件参数，例如物理地 址lBootloader加载压缩的内核映像l内核自解压l内核将自身定位到正确的物理地址内核启动流程l执行init初始化进程l启动一个shelll执行启动脚本文件l显示登录提示符等待登录嵌入式LINUX操作系统内核l选择内核l内核配置l编译内核l安装内核Linux内核源码l内核目录结构：l/usr/src/Linux-*l/arch（重点）l/driversl/fsl/includel/initl/ipcl/kernell/mml/net内核配置l进入到内核源代码目录lcd

11、 /usr/src/linux-2.*lmake configlmake xconfiglmake menuconfiglmake编译生成的文件lvmlinuxl未压缩的Linux内核lvarch/boot/zImagel经zlib压缩后的Linux内核lvarch/boot/bzImagel经zlib压缩后的Linux内核，b是指big，压缩 狠l/boot/vmlinuz-l经zlib压缩后的Linux内核编译生成的文件lv/boot/System.map-l内核符号地址l/boot/initrd-.imglramdisk,要挂载的根文件系统l/lib/modules/l模块lvmodul

12、es.depl模块依赖文件裁剪Linuxl目的是创建嵌入式Linuxl嵌入式硬件资源有限，所以要裁剪软件l裁剪的对象包括：lLinux内核l库l守护进程lGUI裁剪Linuxl选择合适的文件系统lext2，ext3，jffs2l模块机制l网络协议l无用的驱动程序l调试信息l裁剪的技术要求l能省就省，能小就小，能快就快安装内核l移植相关的文件l相关文件和目录larch/arm/config.inlarch/arm/Makefilelarch/arm/boot/Makefilelarch/arm/mach-s3c2410/*linclude/asm-arm/arch-s3c2410/*larch/

13、arm/tools/mach-typeslarch/arm/boot/compressed/head-s3c2410.Slarch/arm/boot/compressed/Makefile嵌入式Linux内核调试lPrintk() lOops消息l/proc文件系统 lKgdbl追踪工具 (strace,ltt,gprof,gcov,memwatch) Linux调试工具lLinux系统察看和调参l/proc文件系统l用户空间工具： l内存工具：MEMWATCH 和 YAMD lstrace lGNU 调试器（gdb） l内核工具： l内核源代码级调试器（kgdb） l内建内核调试器（kdb）

14、 lOops/proc文件系统l/proc内存文件系统，记录系统相关信息l可以直接使用cat得到相关信息l也可以编程通过文件方式得到相关信息通过/proc获取进程信息l找到相关进程号l找到相关/proc子目录l获取特定参数通过/proc获取硬件信息l找到相关硬件标识l在/proc中找到相关硬件目录l查找特定硬件信息通过/proc获取内核信息l内核信息一般存放于/proc/sysl可以读取相关内核信息l也可以修改内核参数来对内核调优l修改内核一定要慎重！/proc获取文件系统信息l获取文件系统信息l获取分区信息l获取文件锁定信息/proc获取系统状态信息l获取系统时间谢谢大家l问题l建议l反馈l后续l资源