嵌入式操作系统原理实用教案

1、嵌入式LINUX操作系统(co zu x tn)开发 体系结构概览 进程与调度管理(gunl) 内存管理(gunl) 文件系统 系统调用第1页/共39页第一页，共39页。体系结构概览(i ln)第2页/共39页第二页，共39页。体系结构概览(i ln) 内核的功能(gngnng) 进程控制(process management) 内存管理(Memory management) 文件系统管理(Filesystem management) 设备驱动程序(Device control) 网络(Networking)第3页/共39页第三页，共39页。内核(ni h)层次 内核(ni h)在系统中的位置

2、 用户进程 系统调用接口 内核(ni h) 硬件 什么是Linux内核(ni h)？ 从程序员的角度 从用户的角度第4页/共39页第四页，共39页。系统(xtng)调用 内核提供的一套C语言函数库称为系统调用 应用程序使用系统调用完成编程任务 系统调用分类(fn li) 进程管理 进程间通信(IPC) 文件系统管理 网络编程(Socket)第5页/共39页第五页，共39页。Linux结构(jigu)第6页/共39页第六页，共39页。Linux进程(jnchng)管理 Linux是一个多任务多用户操作系统 一个任务(task)就是一个进程(process) 每一个进程都具有一定的功能和权限，它们

3、都运行在各自独立的虚拟地址空间(kngjin)。 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。 第7页/共39页第七页，共39页。 Linux进程(jnchng)概述 程序映像 存放在磁盘上的可执行(zhxng)文件的代码和数据的集合称为可执行(zhxng)映象(Executable Image)，即程序 当一个程序（可执行(zhxng)映象）装入系统中运行时，它就形成了一个进程 进程映像 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。 正文段中存放着进程要执行(zhxng)

4、的指令代码，具有只读的属性， 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。 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。第8页/共39页第八页，共39页。进程(jnchng)控制块PCB 进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构，称为任务结构体 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(yj) 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 Linux在内存空间中开辟了

5、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。 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。第9页/共39页第九页，共39页。Linux调度(diod)分析 Linux进程( jnchng)的状态变化第10页/共39页第十页，共39页。进程(jnchng)状态 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(chn wi)当前进程（current process） 可运行态：进程已分配到除CPU外所需要的其它资

6、源，等待系统把CPU分配给它之后即可投入运行 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 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。 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。第11页/共39页第十一页，共39页。核心(hx

7、n)态和用户态 Linux的进程(jnchng)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)。 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。 用户态是进程(jnchng)的普通执行状态，在用户态下进程(jnchng)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(jnchng)在用户态下只能访问进程(jnchng)的存储空间。在用户态下进程(jnchng)不能与系统硬

8、件相互作用，不能访问系统资源。第12页/共39页第十二页，共39页。Linux进程(jnchng)调度方式 Linux系统采用抢占调度方式，又称可剥夺(bdu)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(bdu)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。 Linux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。第13页/共39页第十三页，共39页。Linux进程调度(diod)方法 Linux进程调度采用动态(dngti)优先级法，调度对象是可运行

9、队列， 可运行队列中优先级大的进程首先得到CPU投入运行。 进程在运行中，counter的代表进程的动态(dngti)优先级。 Linux采取了加权的方法来保证实时进程优先于普通进程。第14页/共39页第十四页，共39页。进程(jnchng)调度时机 时机1进程状态发生变化时。 处于运行态下的进程要等待某种资源， 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。 处于等待态的进程被唤醒后，将加入到可运行队列中时。 进程从运行态转入暂停态时。 进程从暂停态成为可运行态时。 时机2当前进程时间片用完时。 时机3进程从系统调用返回(fnhu)到用户态时。

10、时机4中断处理后，进程返回(fnhu)到用户态时。第15页/共39页第十五页，共39页。Linux内存(ni cn)管理模式 MMU内存管理 MMU是内存管理单元 内存的管理单位是页(page),通常是4K或8K 虚拟地址与物理地址 物理地址可以位于RAM/FLASH/DISK 经过MMU,虚拟地址可以转化成物理地址 MMU可以在转换过程中检查权限(qunxin)，以保护内存不受非法访问 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16第16页/共39页第十六页，共39页。Linux的三级目录(ml) Linux采用(ciyng)三级目录底层MMU支持实现存储管理，可以适应64/

11、32位CPU 三级目录是页面目录、中间目录和页表第17页/共39页第十七页，共39页。进程(jnchng)空间和内核空间 进程名义上有4G的空间 实际上只有3G属于进程本身(bnshn) 虚拟系统空间占据高位1G第18页/共39页第十八页，共39页。Linux内核(ni h)启动分析 搭建开发环境 宿主机和目标机 交叉编译 编译引导程序（u-boot或者vivi) 编译内核(ni h)（mizi linux) 编译根文件系统 使用JTAG将编译好的映像写入目标板 可以写入到Nor Flash当中 可以写入到Nand Flash当中第19页/共39页第十九页，共39页。Linux内核(ni h)

12、启动分析 上电 CPU根据设置读取Flash中的Bootloader Bootloader作两段式加载 Bootload将控制权移交给内核 Bootloader事先检测硬件参数，例如物理地址 Bootloader加载压缩的内核映像 内核自解压 内核将自身(zshn)定位到正确的物理地址第20页/共39页第二十页，共39页。内核(ni h)启动流程 执行init初始化进程( jnchng) 启动一个shell 执行启动脚本文件 显示登录提示符等待登录第21页/共39页第二十一页，共39页。嵌入式LINUX操作系统(co zu x tn)内核 选择内核(ni h) 内核(ni h)配置 编译内核(

13、ni h) 安装内核(ni h)第22页/共39页第二十二页，共39页。 Linux内核(ni h)源码 内核目录(ml)结构： /usr/src/Linux-* /arch（重点） /drivers /fs /include /init /ipc /kernel /mm /net第23页/共39页第二十三页，共39页。内核(ni h)配置 进入到内核(ni h)源代码目录 cd /usr/src/linux-2.* make config make xconfig make menuconfig make第24页/共39页第二十四页，共39页。编译(biny)生成的文件 vmlinux 未压

14、缩(y su)的Linux内核 varch/boot/zImage 经zlib压缩(y su)后的Linux内核 varch/boot/bzImage 经zlib压缩(y su)后的Linux内核，b是指big，压缩(y su)狠 /boot/vmlinuz- 经zlib压缩(y su)后的Linux内核第25页/共39页第二十五页，共39页。编译(biny)生成的文件 v/boot/System.map- 内核(ni h)符号地址 /boot/initrd-.img ramdisk,要挂载的根文件系统 /lib/modules/ 模块 vmodules.dep 模块依赖文件第26页/共39页

15、第二十六页，共39页。裁剪(cijin)Linux 目的是创建嵌入式Linux 嵌入式硬件资源有限，所以要裁剪软件 裁剪的对象(duxing)包括： Linux内核 库 守护进程 GUI第27页/共39页第二十七页，共39页。裁剪(cijin)Linux 选择合适(hsh)的文件系统 ext2，ext3，jffs2 模块机制 网络协议 无用的驱动程序 调试信息 裁剪的技术要求 能省就省，能小就小，能快就快第28页/共39页第二十八页，共39页。安装(nzhung)内核 移植相关(xinggun)的文件 相关(xinggun)文件和目录 arch/arm/config.in arch/arm/M

16、akefile arch/arm/boot/Makefile arch/arm/mach-s3c2410/* include/asm-arm/arch-s3c2410/* arch/arm/tools/mach-types arch/arm/boot/compressed/head-s3c2410.S arch/arm/boot/compressed/Makefile第29页/共39页第二十九页，共39页。嵌入式Linux内核(ni h)调试 Printk() Oops消息(xio xi) /proc文件系统 Kgdb 追踪工具(strace,ltt,gprof,gcov,memwatch)

17、第30页/共39页第三十页，共39页。Linux调试(dio sh)工具 Linux系统(xtng)察看和调参 /proc文件系统(xtng) 用户空间工具： 内存工具：MEMWATCH 和 YAMD strace GNU 调试器（gdb） 内核工具： 内核源代码级调试器（kgdb） 内建内核调试器（kdb） Oops第31页/共39页第三十一页，共39页。/proc文件系统 /proc内存文件系统，记录系统相关信息 可以直接使用(shyng)cat得到相关信息 也可以编程通过文件方式得到相关信息第32页/共39页第三十二页，共39页。通过(tnggu)/proc获取进程信息 找到相关进程( jnchng)号 找到相关/proc子目录 获取特定参数第33页/共39页第三十三页，共39页。通过(tnggu)/proc获取硬件信息 找到相关硬件标识 在/proc中找到相关硬件目录(ml) 查找特定硬件信息第34页/共39页第三十四页，共39页。通过(tnggu)/proc获取内核信息 内核信息一般存放(cnfng)于/proc