嵌入式操作系统原理课件

1、嵌入式操作系统原理嵌入式操作系统原理嵌入式操作系统原理 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系统调用嵌入式操作系统原理体系结构概览嵌入式操作系统原理体系结构概览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( management)l设备驱动程序(Device control)l网络(Networking)嵌入式操作系统原理内核层次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从用户的角度嵌入式操作系统原

2、理系统调用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进程管理l进程间通信(IPC)l文件系统管理l网络编程(Socket)嵌入式操作系统原理Linux结构嵌入式操作系统原理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。 嵌入式操作系统原理 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(Exe

3、cutable 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(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。嵌入式操作系统原理进程控制块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

4、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。嵌入式操作系统原理Linux调度分析lLinux进程的状态变化嵌入式操作系统原理进程状态l运行态：进程正在使用

5、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

6、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。嵌入式操作系统原理核心态和用户态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

7、统硬件相互作用，不能访问系统资源。嵌入式操作系统原理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。嵌入式操作系统原理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

8、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。嵌入式操作系统原理进程调度时机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，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。嵌入式操作系统原理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

9、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和保护，系统容易崩溃17嵌入式操作系统原理Linux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、中间目录和页表嵌入式操作系统原理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1G嵌入式操作系统原理Linux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-b

10、oot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当中嵌入式操作系统原理Linux内核启动分析l上电lCPU根据设置读取Flash中的BootloaderlBootloader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嵌入式操作系统原理内核启动流程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

11、嵌入式操作系统原理嵌入式LINUX操作系统内核l选择内核l内核配置l编译内核l安装内核嵌入式操作系统原理 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嵌入式操作系统原理内核配置l进入到内核源代码目录lcd /usr/src/linux-2.*lmake configlmake xconfiglmake menuconfiglmake嵌入式操作系统原理编译生成的文件lvmlinuxl未压缩的Linux内核lvarch/boot/zImagel经zlib压

12、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内核嵌入式操作系统原理编译生成的文件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lvmodules.depl模块依赖文件嵌入式操作系统原理裁剪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嵌入式操作系统原理裁剪Linuxl选择合

13、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，能快就快嵌入式操作系统原理安装内核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/arm/tools/mach-typeslarch/arm/boot/compressed/head-s3c2410.Slarch/arm/boot/compres

14、sed/Makefile嵌入式操作系统原理嵌入式嵌入式Linux内核调试内核调试lPrintk() lOops消息l/proc文件系统 lKgdbl追踪工具(strace,ltt,gprof,gcov,memwatch) 嵌入式操作系统原理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内核工具内核工具： l内核源代码级调试器（kgdb） l内建内核调试器（kdb） lOops嵌入式操作系统原理/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嵌入式操作系统原理通过/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获取特定参数嵌入式操作系统原理通过/p