嵌入式操作系統(tǒng)原理實用教案

1、嵌入式LINUX操作系統(tǒng)(co zu x tn)開發(fā) 體系結構概覽 進程與調度管理(gunl) 內存管理(gunl) 文件系統(tǒng) 系統(tǒng)調用第1頁/共39頁第一頁，共39頁。體系結構概覽(i ln)第2頁/共39頁第二頁，共39頁。體系結構概覽(i ln) 內核的功能(gngnng) 進程控制(process management) 內存管理(Memory management) 文件系統(tǒng)管理(Filesystem management) 設備驅動程序(Device control) 網(wǎng)絡(Networking)第3頁/共39頁第三頁，共39頁。內核(ni h)層次 內核(ni h)在系統(tǒng)中的位置

2、 用戶進程 系統(tǒng)調用接口 內核(ni h) 硬件 什么是Linux內核(ni h)？ 從程序員的角度 從用戶的角度第4頁/共39頁第四頁，共39頁。系統(tǒng)(xtng)調用 內核提供的一套C語言函數(shù)庫稱為系統(tǒng)調用 應用程序使用系統(tǒng)調用完成編程任務 系統(tǒng)調用分類(fn li) 進程管理 進程間通信(IPC) 文件系統(tǒng)管理 網(wǎng)絡編程(Socket)第5頁/共39頁第五頁，共39頁。Linux結構(jigu)第6頁/共39頁第六頁，共39頁。Linux進程(jnchng)管理 Linux是一個多任務多用戶操作系統(tǒng) 一個任務(task)就是一個進程(process) 每一個進程都具有一定的功能和權限，它們

3、都運行在各自獨立的虛擬地址空間(kngjin)。 在Linux中，進程是系統(tǒng)資源分配的基本單位，也是使用CPU運行的基本調度單位。 第7頁/共39頁第七頁，共39頁。 Linux進程(jnchng)概述 程序映像 存放在磁盤上的可執(zhí)行(zhxng)文件的代碼和數(shù)據(jù)的集合稱為可執(zhí)行(zhxng)映象(Executable Image)，即程序 當一個程序（可執(zhí)行(zhxng)映象）裝入系統(tǒng)中運行時，它就形成了一個進程 進程映像 進程是由正文段(text)、用戶數(shù)據(jù)段(user segment)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)段(system segment)組成的一個動態(tài)實體。 正文段中存放著進程要執(zhí)行(zhxng)

4、的指令代碼，具有只讀的屬性， 用戶數(shù)據(jù)段是進程在運行過程中處理數(shù)據(jù)的集合，它們是進程直接進行操作的所有數(shù)據(jù)， 以及進程使用的進程堆棧。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)段存放著進程的控制信息。其中包括進程控制塊PCB。第8頁/共39頁第八頁，共39頁。進程(jnchng)控制塊PCB 進程控制塊PCB是名字為task_struct的數(shù)據(jù)結構，稱為任務結構體 任務結構體中容納了一個進程的所有信息，是系統(tǒng)對進程進行管理和控制的有效手段，是系統(tǒng)實現(xiàn)進程調度的主要依據(jù)(yj) 當一個進程被創(chuàng)建時，系統(tǒng)就為該進程建立一個task_struct任務結構體。當進程運行結束時，系統(tǒng)撤消該進程的任務結構體 Linux在內存空間中開辟了

5、一個專門的區(qū)域存放所有進程的任務結構體，在操作系統(tǒng)的內核空間設置了一個task數(shù)組，該數(shù)組的每一個元素是一個指向任務結構體的指針,所以task數(shù)組又稱為task向量。 進程的任務結構體是進程存在的唯一標志，調度程序維護current指針，它指向當前正在運行的進程。第9頁/共39頁第九頁，共39頁。Linux調度(diod)分析 Linux進程( jnchng)的狀態(tài)變化第10頁/共39頁第十頁，共39頁。進程(jnchng)狀態(tài) 運行態(tài)：進程正在使用CPU運行的狀態(tài)。處于運行態(tài)的進程又稱為(chn wi)當前進程（current process） 可運行態(tài)：進程已分配到除CPU外所需要的其它資

6、源，等待系統(tǒng)把CPU分配給它之后即可投入運行 等待態(tài)：又稱睡眠態(tài)，它是進程正在等待某個事件或某個資源時所處的狀態(tài)。 等待態(tài)進一步分為可中斷的等待態(tài)和不可中斷的等待態(tài)。處于可中斷等待態(tài)的進程可以由信號(signal)解除其等待態(tài)。處于不可中斷等待態(tài)的進程，一般是直接或間接等待硬件條件。 它只能用特定的方式來解除，例如使用喚醒函數(shù)wake_up()等 暫停態(tài)：進程需要接受某種特殊處理而暫時停止運行所處的狀態(tài)。通常進程在接受到外部進程的某個信號進入暫停態(tài)，例如，正在接受調試的進程就處于這種狀態(tài)。 僵死態(tài)：進程的運行已經(jīng)結束，但它的任務結構體仍在系統(tǒng)中。第11頁/共39頁第十一頁，共39頁。核心(hx

7、n)態(tài)和用戶態(tài) Linux的進程(jnchng)處理機上運行時，處理機提供了兩種不同的的執(zhí)行狀態(tài)，核心態(tài)(kernel mode)和用戶態(tài)(user mode)。 核心態(tài)又稱系統(tǒng)態(tài)，它具有較高的特權，能執(zhí)行所有的機器指令，包括由操作系統(tǒng)執(zhí)行的特權指令，能訪問所有的寄存器和存儲區(qū)域，能直接控制所有的系統(tǒng)資源。 Linux在執(zhí)行內核程序時是處于核心態(tài)下。 用戶態(tài)是進程(jnchng)的普通執(zhí)行狀態(tài)，在用戶態(tài)下進程(jnchng)具有較低的特權， 只能執(zhí)行規(guī)定的機器指令，不能執(zhí)行特權指令。進程(jnchng)在用戶態(tài)下只能訪問進程(jnchng)的存儲空間。在用戶態(tài)下進程(jnchng)不能與系統(tǒng)硬

8、件相互作用，不能訪問系統(tǒng)資源。第12頁/共39頁第十二頁，共39頁。Linux進程(jnchng)調度方式 Linux系統(tǒng)采用搶占調度方式，又稱可剝奪(bdu)調度方式。采用這種調度方式時，對于當前運行的進程而言，當有更緊急的進程到來時，系統(tǒng)將剝奪(bdu)當前進程使用處理機的權利，立即停止它在處理機上的運行，而把處理機分配給那個更緊急的進程。 Linux采用時間片輪轉法。對某個運行中的進程，當它的時間片用完時，系統(tǒng)將停止它的運行并把處理機分配給其它進程。第13頁/共39頁第十三頁，共39頁。Linux進程調度(diod)方法 Linux進程調度采用動態(tài)(dngti)優(yōu)先級法，調度對象是可運行

9、隊列， 可運行隊列中優(yōu)先級大的進程首先得到CPU投入運行。 進程在運行中，counter的代表進程的動態(tài)(dngti)優(yōu)先級。 Linux采取了加權的方法來保證實時進程優(yōu)先于普通進程。第14頁/共39頁第十四頁，共39頁。進程(jnchng)調度時機 時機1進程狀態(tài)發(fā)生變化時。 處于運行態(tài)下的進程要等待某種資源， 運行態(tài)下的進程在程序執(zhí)行完畢后，一般通過調用內核函數(shù)do_exit()終止運行并轉入僵死態(tài)。 處于等待態(tài)的進程被喚醒后，將加入到可運行隊列中時。 進程從運行態(tài)轉入暫停態(tài)時。 進程從暫停態(tài)成為可運行態(tài)時。 時機2當前進程時間片用完時。 時機3進程從系統(tǒng)調用返回(fnhu)到用戶態(tài)時。

10、時機4中斷處理后，進程返回(fnhu)到用戶態(tài)時。第15頁/共39頁第十五頁，共39頁。Linux內存(ni cn)管理模式 MMU內存管理 MMU是內存管理單元 內存的管理單位是頁(page),通常是4K或8K 虛擬地址與物理地址 物理地址可以位于RAM/FLASH/DISK 經(jīng)過MMU,虛擬地址可以轉化成物理地址 MMU可以在轉換過程中檢查權限(qunxin)，以保護內存不受非法訪問 如果沒有MMU,進程與內核之間無法隔離和保護，系統(tǒng)容易崩潰16第16頁/共39頁第十六頁，共39頁。Linux的三級目錄(ml) Linux采用(ciyng)三級目錄底層MMU支持實現(xiàn)存儲管理，可以適應64/

11、32位CPU 三級目錄是頁面目錄、中間目錄和頁表第17頁/共39頁第十七頁，共39頁。進程(jnchng)空間和內核空間 進程名義上有4G的空間 實際上只有3G屬于進程本身(bnshn) 虛擬系統(tǒng)空間占據(jù)高位1G第18頁/共39頁第十八頁，共39頁。Linux內核(ni h)啟動分析 搭建開發(fā)環(huán)境 宿主機和目標機 交叉編譯 編譯引導程序（u-boot或者vivi) 編譯內核(ni h)（mizi linux) 編譯根文件系統(tǒng) 使用JTAG將編譯好的映像寫入目標板 可以寫入到Nor Flash當中 可以寫入到Nand Flash當中第19頁/共39頁第十九頁，共39頁。Linux內核(ni h)

12、啟動分析 上電 CPU根據(jù)設置讀取Flash中的Bootloader Bootloader作兩段式加載 Bootload將控制權移交給內核 Bootloader事先檢測硬件參數(shù)，例如物理地址 Bootloader加載壓縮的內核映像 內核自解壓 內核將自身(zshn)定位到正確的物理地址第20頁/共39頁第二十頁，共39頁。內核(ni h)啟動流程 執(zhí)行init初始化進程( jnchng) 啟動一個shell 執(zhí)行啟動腳本文件 顯示登錄提示符等待登錄第21頁/共39頁第二十一頁，共39頁。嵌入式LINUX操作系統(tǒng)(co zu x tn)內核 選擇內核(ni h) 內核(ni h)配置 編譯內核(

13、ni h) 安裝內核(ni h)第22頁/共39頁第二十二頁，共39頁。 Linux內核(ni h)源碼 內核目錄(ml)結構： /usr/src/Linux-* /arch（重點） /drivers /fs /include /init /ipc /kernel /mm /net第23頁/共39頁第二十三頁，共39頁。內核(ni h)配置 進入到內核(ni h)源代碼目錄 cd /usr/src/linux-2.* make config make xconfig make menuconfig make第24頁/共39頁第二十四頁，共39頁。編譯(biny)生成的文件 vmlinux 未壓

14、縮(y su)的Linux內核 varch/boot/zImage 經(jīng)zlib壓縮(y su)后的Linux內核 varch/boot/bzImage 經(jīng)zlib壓縮(y su)后的Linux內核，b是指big，壓縮(y su)狠 /boot/vmlinuz- 經(jīng)zlib壓縮(y su)后的Linux內核第25頁/共39頁第二十五頁，共39頁。編譯(biny)生成的文件 v/boot/System.map- 內核(ni h)符號地址 /boot/initrd-.img ramdisk,要掛載的根文件系統(tǒng) /lib/modules/ 模塊 vmodules.dep 模塊依賴文件第26頁/共39頁

15、第二十六頁，共39頁。裁剪(cijin)Linux 目的是創(chuàng)建嵌入式Linux 嵌入式硬件資源有限，所以要裁剪軟件 裁剪的對象(duxing)包括： Linux內核 庫 守護進程 GUI第27頁/共39頁第二十七頁，共39頁。裁剪(cijin)Linux 選擇合適(hsh)的文件系統(tǒng) ext2，ext3，jffs2 模塊機制 網(wǎng)絡協(xié)議 無用的驅動程序 調試信息 裁剪的技術要求 能省就省，能小就小，能快就快第28頁/共39頁第二十八頁，共39頁。安裝(nzhung)內核 移植相關(xinggun)的文件 相關(xinggun)文件和目錄 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頁/共39頁第二十九頁，共39頁。嵌入式Linux內核(ni h)調試 Printk() Oops消息(xio xi) /proc文件系統(tǒng) Kgdb 追蹤工具(strace,ltt,gprof,gcov,memwatch)

17、第30頁/共39頁第三十頁，共39頁。Linux調試(dio sh)工具 Linux系統(tǒng)(xtng)察看和調參 /proc文件系統(tǒng)(xtng) 用戶空間工具： 內存工具：MEMWATCH 和 YAMD strace GNU 調試器（gdb） 內核工具： 內核源代碼級調試器（kgdb） 內建內核調試器（kdb） Oops第31頁/共39頁第三十一頁，共39頁。/proc文件系統(tǒng) /proc內存文件系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)相關信息 可以直接使用(shyng)cat得到相關信息 也可以編程通過文件方式得到相關信息第32頁/共39頁第三十二頁，共39頁。通過(tnggu)/proc獲取進程信息 找到相關進程( jnchng)號 找到相關/proc子目錄 獲取特定參數(shù)第33頁/共39頁第三十三頁，共39頁。通過(tnggu)/proc獲取硬件信息 找到相關硬件標識 在/proc中找到相關硬件目錄(ml) 查找特定硬件信息第34頁/共39頁第三十四頁，共39頁。通過(tnggu)/proc獲取內核信息 內核信息一般存放(cnfng)于/proc