嵌入式系统设计与开发-基于ARM Cortex-A9和Linux 课件 第08章 嵌入式Linux操作系统

第八章嵌入式Linux操作系统北京航空航天大学电工电子中心2025年4月提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验GNU的历史理查德ꞏ斯托曼自由软件

GNU的含义

GPLGNU/Linux什么是GNU（GNUisNotUnix）Unix：肯ꞏ汤普森、丹尼斯ꞏ里奇

AIX、BSD、HP-UX、solarisMinix：安德鲁ꞏ坦尼鲍姆《操作系统设计与实现》Linux1991年，芬兰赫尔辛基大学linusTorvaldsLinux的历史高端服务器领域获得IBM、戴尔、惠普、甲骨文等厂商支持桌面应用领域嵌入式应用领域源码公开、可裁减Linux的应用领域Linux是一个功能强大的完备的操作系统符合POSIX标准包含完整的操作系统组件文本编辑器、高级语言编译器、应用程序、X-Window图形用户接口、网络服务器组件Linux的组成SlackwareRedhat支持的硬件平台多、优秀的安装接口、独特的rpm安装方式、丰富的软件、方便的系统管理接口、完备的文档fedoracore&fedoraSuSE常见Linux发行版Debian红旗LinuxXteamubuntuubuntuKylin（优麒麟）常见Linux发行版（续）发布openEuler商业发行版的厂商发布openEuler商业发行版的厂商安装方式直接在硬盘上安装用虚拟机vmware安装Linux的安装Linux的shellsh(Bourneshell,1979,Unix版本7)csh(Cshell)ksh(Kornshell,商业软件,sh的增强版)tcsh(csh是指向tcsh的一个链接)bashsh兼容，包含csh和ksh最有用的功能，具有命令历史记忆功能，有作业控制功能，有shell程序设计能力常用的shellshell的使用使用通配符HOME：用户主目录PATH：系统路径TERM：终端类型UID：用户IDPWD：当前目录PS1：主提示符PS2：辅助提示符Shell环境变量tab键补全命令↑↓调用历史命令historyhistoryn

！n命令别名

aliaslll=‘ls–l-i’Shell使用技巧Linux文件系统windows文件系统：fat32、ntfs分区、盘符Linux文件系统：ext2、ext3、reiserFS等目录树bin：普通用户常用例程，如datedev：存放系统中所有设备名home：普通用户的主目录lib：内核和应用程序所用的库文件和模块root：根用户的主目录usr：用户安装的应用程序boot：Linux内核、开机配置文件etc：与系统硬件和软件有关的配置文件media：光盘、软盘挂载点mnt：其他临时分区的挂接点proc：内存文件系统sbin：根用户用于系统管理的可执行文件Linux根目录的子目录Linux的启动和关闭Linux的在线帮助系统ls：获取目录中的文件列表（文件权限）mkdir、rmdir：新建目录、删除目录cd：切换目录（cd..cd/cd~cd-）pwd:查看当前目录touch：新建文件/刷新文件时间mv：文件改名/移动cp：复制文件rm：删除文件tmp：临时文件var：各种服务器的数据文件、日志、假脱机打印系统的打印队列数据等基本的shell命令who：确定系统当前用户的信息ps：列出系统当前进程ps–aux//列出系统所有进程pstree：列出系统进程树top：动态显示系统当前进程date：显示和设置系统当前日期和时间grep：查找文本中的字符串clear：清屏echo：回显命令find：文件搜素命令wc：文字统计工具bc：计算器工具head、tail：显示文件的前几行和后几行基本的shell命令（续）压缩/解压命令常用网络命令Ping—检查主机的连通性ifconfig命令远程登录文件传输vi简介vi的两种操作模式进入和退出vivi的操作模式切换删除文本光标移动光标按行移动光标按单词移动光标按字符移动翻页和查找文本替换全局替换移动和复制移动和复制文本块撤销和重复命令嵌入式LinuxμCLinuxμCLinux是专门针对没有MMU的处理器而设计的，即μCLinux无法使用处理器的虚拟内存管理技术。采用实存储器管理策略，通过地址总线对物理内存进行直接访问。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，所有的进程都在一个运行空间中运行（包括内核进程），在操作系统不提供保护的情况下，必须小心设计程序和数据空间，以免引起应用程序进程甚至是内核的崩溃。RTLinuxRT-Linux是通过底层对Linux实施改造的产物。通过在Linux内核与硬件中断之间增加一个精巧的可抢先的实时内核，把标准的Linux内核作为实时内核的一个进程与用户进程一起调度，标准的Linux内核的优先级最低，可以被实时内核进程抢占。正常的Linux进程仍可以在Linux内核上运行，这样既可以使用标准分时操作系统即Linux的各种服务，又能提供最低延时的实时环境。

红旗嵌入式Linux红旗嵌入式Linux是由北京中科红旗软件技术有限公推出，是国内做得较好的一款嵌入式Linux操作系统。这款嵌入式Linux有以下特点：内核精简，适用于多种常见的嵌入式CPU；提供完善的嵌入式GUI和嵌入式X-Windows；提供嵌入式浏览器、邮件程序和多媒体播放程序；提供完善的开发工具和平台。提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验运行比内存还要大的程序；先加载部分程序运行，缩短了程序启动的时间；可以使多个程序同时驻留在内存中提高CPU的利用率；可以运行重定位程序。即程序可以放于内存中的任何一处，旦可以在执行过程中移动；写机器无关的代码。程序不必事先约定机器的配置情况；减轻程序员分配和管理内存资源的负担；可以进行内存共享；提供内存保护，进程不能以非授权方式访问或修改页面，内核保护单个进程的数据和代码以防止其他进程修改它们。否则，用户程序可能会偶然（或恶意）地破坏内核或其他用户程序。Linux操作系统的内存管理功能标准Linux和uCLinux内存映射μCLinux仍然采用存储器的分页管理。系统启动时对存储器分页，加载应用程序对程序分页加载。uCLinx采用实存储器管理。μCLinux系统对内存的访问是直接的（它对地址的访问不经MMU，而是直接送到地址线上输出），所有程序访问的地址是物理地址。那些比物理内存还大的程序将无法执行。μCLinux将整个物理内存划分成为4KB的页面。μCLinux操作系统对内存空间没有保护，各个进程没有独立的地址转换表，实际上共享一个运行空间。从易用性这一点来说，uCLinx的内存管理是一种倒退，退回到了UNIX早期或是DOS系统时代。开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存，从而系统将在启动的初始化阶段对内存进行分页，并且标记已使用的和未使用的内存。系统将在运行应用时使用这些分页内存。虽然μCLinux的内存管理与标准Linux系统相比功能相差很多，但应该说这是嵌入式设备的选择。在嵌入式设备中，由于成本等敏感因素的影响，这决定了系统没有足够的硬件支持实现虚拟存储管理技术。从嵌入式设备实现的功能来看，嵌入式设备通常在某一特定的环境下运行，只实现特定的功能，其功能相对简单，内存管理的要求完全可以由开发人员考虑。uCLinux内存管理提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验进程是一个正在执行的程序的实例，由以下元素组成程序的当前上下文，程序当前的执行状态程序的当前执行目录程序访问的文件和目录程序的访问权限内存以及其他分配给进程的系统资源Linux进程模型和进程标识进程最重要的属性是进程号（PID），以及父进程号（PPID）。一个进程有唯一的进程号，如果一个进程创建了一个子进程，那么它的进程号就是子进程的父进程号。1号进程（init）：负责引导系统、启动守护进程以及运行其他必要的程序。进程标识取得进程号fork系统调用fork系统调用fork系统调用fork系统调用fork系统调用分析Linux进程调度Linux操作系统有三种进程调度策略：分时调度策略（SCHED_OTHER）。SCHED_OTHE是面向普通进程的时间片轮转策略。采用该策略时，系统为处于TASK_RUNNING状态的每个进程分配一个时间片。当时间片用完时，进程调度程序再选择下一个优先级相对较高的进程，并授予CPU使用权。先到先服务的实时调度策略。SCHED_FIFO策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较短的实时进程。采用该策略时，各实时进程按其进入可运行队列的顺序依次获得CPU。除了因等待某个事件主动放弃CPU，或者出现优先级更高的进程而剥夺其CPU之外，该进程将一直占用CPU运行。时间片轮转的实时调度策略（SCHED_RR），SCHED_RR策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较长的实时进程。采用该策略时，各实时进程按时间片轮流使用CPU。当一个运行进程的时间片用完后，进程调度程序停止其运行并将其置于可运行队列的末尾。RT-Linux的进程管理RT-Linux有两种中断：硬中断和软中断。软中断是常规Linux内核中断。它的优点在于可无限制地使用Linux内核调用。硬中断是实现实时Linux的前提。依赖于不同的系统，实时Linux下硬中断的延时少于15μS，RT-Linux通过一个高效的、可抢占的实时调度核心来全面接管中断，把Linux作为此实时核心的一个优先级最低的进程运行。当有实时任务需要处理时，RT-Linux运行实时任务；无实时任务时，RT-Linux运行Linux的非实时进程。uCLinux的进程管理μCLinux的进程调度沿用了Linux的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同时系统产生快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数（定时器处理函数）决定进程什么时候拥有它的时间片。然后进行相关进程切换，这是通过父进程调用fork函数生成子进程来实现的。在μCLinux下，由于μCLinux没有MMU管理存储器，在实现多个进程时需要实现数据保护。由于没有MMU，系统虽然支持fork系统调用，但其实质上就是vfork。μCLinux系统fork调用完成后，要么子进程代替父进程执行（此时父进程已经sleep直到子进程调用exit退出；要么调用exee执行一个新的进程，这个时候产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的复制，这个过程也不可避免。当子进程执行exit或exec后，子进程使用wakeup把父进程唤醒，使父进程继续往下执行。μCLinux由于没有内存映射机制，因此其对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。这就需要实现多进程时进行数据保护，也导致了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间，这些问题在编程时都需要多加注意，否则容易导致系统崩溃。提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验线程概述线程的状态线程的状态迁移图线程VS进程线程的优点线程的缺点线程同步

下面的例子验证了2个线程是同步执行的线程的属性线程举例实现线程的函数创建线程退出线程合并线程线程通信

首先，线程和进程之间需要通信。其次，线程间需要通信。线间通信需要使用信号量、共享内存和消息队列等。1.信号量信号量是一种程序设计构造。它是一种通信机制，也是一种同步机制。在计算机内，信号量是一个整型数。一个进程在信号变为0或者1的情况下推进，并且将信号量变为1或者0阻止别的进程推进。2.共享内存共享内存是为了解决线程间共享大量数据而开辟的一块内存区域。这片内存中的任何内容，二者均可访问。3.消息队列消息队列是一列具有头和尾的消息排列。新来的消息称为生产者，放在队列的尾部，取走的消息称为消费者，放在队列的头部。线程同步

线程同步是指线程使用共享资源时的约束管理机制。线程同步的目的要保证多线程执行下结果的确定性。锁

睡觉与叫醒

信号量提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验Linux文件属性文件模式访问位控制文件操作fopen文件打开方式fclose读写文件freadfwrite读取文件状态文件定位删除文件文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例文件举例提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验实验1—多线程实验设计一个多线程的程序，使用互斥锁和条件变量，实现线程间通信。主程序、生产者线程、消费者线程

生产者-消费者源代码流程图如图所示。多线程程序包括三个模块：主程序、生产者线程、消费者线程。

主程序包括：初始化结构体prodcon中的各个参数，创建生产者和消费者线程，等待线程结束。

生产者线程包括：不断向共享数据区写数据，将写入的数据打印在屏幕上，写1000个数据后，设置写完标志OVER。生产者线程结束，退出。

消费者线程包括：定义读取变量d，从共享数据区读取数据到变量d，打印读取的数据，判断是否是OVER？不是表示数据没有读完，继续读。直到读完所有的共享缓冲区数据，然后退出。生产、消费流程生产消费流程如图所示，生产者和消费者共同操作共享数据区，操作中使用了互斥锁。在获得互斥锁和释放互斥锁之间的代码被锁保护。获得互斥锁，即为上锁。释放互斥锁，使用该锁别的线程通过锁即可获得对共享数据的访问。如果共享数据区特别大，允许运行在临界区内运行较长的时间，使用互斥锁即可解决生产者消费者问题。

它是一个整数的圆形缓冲区，在数据结构中被称为环形队列，是为了正确维护生产者消费者使用的共享数据，既不能将生产者的数据丢掉，也不会丢失消费者的数据且两者的数据不会混乱。数据缓冲区多线程编程示例程序/i.MX6/exp/basic/02_pthread2.实验目录3.编译源程序⑴

进入实验目录：uptech@uptech-virtual-machine：/$cd/i.MX6/exp/basic/02_pthreaduptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$lsMakefilepthreadpthread.cpthread.oroot@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/02_pthread$⑵

清除中间代码，重新编译uptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$source/opt/poky/1.7/environment-setup-cortexa9hf-vfp-neon-poky-linux-gnueabiuptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$makecleanrm-f../bin/pthread./pthread*.elf*.gdb*.ouptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$makeuptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$lsMakefilepthreadpthread.cpthread.ouptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/02_pthread$当前目录下生成可执行程序pthread。⑶NFS挂载实验目录测试启动i.MX6Solo/6DL嵌入式教学平台，连好网线、串口线。通过串口终端挂载宿主机实验目录。设置开发板IP：192.168.88.33（默认宿主机ubuntu的IP192.168.88.22,NFS共享目录/i.MX6）root@i.MX6dlsabresd：∽#ifconfigeth0192.168.88.33root@i.MX6dlsabresd：∽#mount-tnfs192.168.88.22：/i.MX6/mnt/进入串口终端的NFS共享实验目录。root@i.MX6dlsabresd：∽#cd/mnt/exp/basic/02_pthread$root@i.MX6dlsabresd：/mnt/exp/basic/02_pthread$lsMakefilepthreadpthread.cpthread.o执行程序root@i.MX6DLsabresd：/mnt/exp/basic/02_pthread$./pthread4.实验结果提纲Linux基础内存管理进程管理线程文件系统多线程应用程序设计实验串行端口程序设计实验实验2—串行端口程序设计实验1.实验环境硬件：i.MX6Solo/6DL教学平台，PC机酷睿i3以上,硬盘120GB以上,内存2GB以上。软件：VmwareWorkstation+Yocto项目。2.实验内容学习将多线程编程应用到串口的接收和发送程序设计中，编写应用程序实现对ARM设备串口的读和写。串口程序流程图

主程序包括：初始化互斥锁初始化串口、打开串口、创建串口发送接收线程、等待线程结束、关闭串口。该程序是多线程的管理程序。

接收线程包括：初始化、创建并打开文件；若检测到输入“Esc”，则接受线程设置运行标志为假，关闭文件，退出并结束。

发送线程：由于发送线程不会自动关断，引入一个静态的全局变量Runing，当接收线程设置运行标志为假时，发送停止。由于发送进程也使用串口输出，使用互斥锁保护共享资源。延迟1秒的作用是控制超级终端显示字符的时间间隔，读者可以根据自己的喜好改变这一时间间隔。

有读者会问全局变量Runing是共享资源吗？答案是“是”。那有问什么不用互斥锁保护共享资源呢？答案是：只有接收线程对该变量进行写操作，因而不用保护共享资源。串口收发程序3.实验目录/i.MX6/exp/basic/03_tty4.编译源程序（1）进入实验目录：uptech@uptech-virtual-machine：/$cd/i.MX6/exp/basic/03_ttyuptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$lsMakefiletermterm.cterm.ouptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$（2）清除中间代码，重新编译uptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$source/opt/poky/1.7/environment-setup-cortexa9hf-vfp-neon-poky-linux-gnueabiuptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$makecleanrm-f../bin/term./term*.elf*.elf2flt*.gdb*.ouptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$makeuptech@uptech-virtual-machine：/i.MX6/exp/basic/03_tty$lsMakefiletermterm.cterm.o当前目录下生成可执行程序term。5.NFS挂载实验目录测试⑴

启动i.MX6Solo/6DL嵌入式教学平台，连好网线、串口线。通过串口终