嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)陳香蘭

xlanchen@/~xlanchenSpring2007中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系xlanchen@2007.6.251EmbeddedOperatingSystems上周一中斷/異常上周二系統(tǒng)調(diào)用時(shí)鐘內(nèi)存管理xlanchen@2007.6.252EmbeddedOperatingSystems本次課進(jìn)程地址空間Linux中的信號用戶態(tài)進(jìn)程之間的通信xlanchen@2007.6.253EmbeddedOperatingSystems進(jìn)程地址空間xlanchen@2007.6.25xlanchen@2007.6.254EmbeddedOperatingSystems內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)分配內(nèi)存的不同內(nèi)核中的函數(shù)以直接了當(dāng)?shù)姆绞将@得動態(tài)內(nèi)存內(nèi)核是操作系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的成分。內(nèi)核信任自己采用我們上次課介紹的頁面級內(nèi)存分配和小內(nèi)存分配給用戶態(tài)進(jìn)程分配內(nèi)存時(shí)請求被認(rèn)為是不緊迫的用戶進(jìn)程不可信任xlanchen@2007.6.255EmbeddedOperatingSystems內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)分配內(nèi)存的不同因此，當(dāng)用戶態(tài)進(jìn)程請求動態(tài)內(nèi)存時(shí)，并沒有立即獲得實(shí)際的物理頁框，而僅僅獲得對一個(gè)新的線性地址區(qū)間的使用權(quán)這個(gè)線性地址區(qū)間會成為進(jìn)程地址空間的一部分，稱作線性區(qū)(memoryareas)xlanchen@2007.6.256EmbeddedOperatingSystems進(jìn)程地址空間進(jìn)程最多能訪問4GB的線性地址空間但進(jìn)程在訪問某個(gè)線性空間之前，必須獲得該線性空間的許可因此，一個(gè)進(jìn)程的地址空間是由允許該進(jìn)程訪問的全部線性地址組成內(nèi)核使用線性區(qū)資源來表示線性地址空間每個(gè)線性區(qū)由起始線性地址、長度和一些存取權(quán)限描述xlanchen@2007.6.257EmbeddedOperatingSystems與進(jìn)程地址空間相關(guān)的描述符xlanchen@2007.6.258EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)的開始和結(jié)束都必須4KB對齊進(jìn)程獲得新線性區(qū)的一些典型情況：剛剛創(chuàng)建的新進(jìn)程使用exec系統(tǒng)調(diào)用裝載一個(gè)新的程序運(yùn)行將一個(gè)文件（或部分）映射到進(jìn)程地址空間中當(dāng)用戶堆棧不夠用的時(shí)候，擴(kuò)展堆棧對應(yīng)的線性區(qū)……xlanchen@2007.6.259EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)（memoryarea）比如0x08048000——0x0804C000這段線性地址空間被分配給了一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程就可以訪問這段地址空間進(jìn)程只能訪問某個(gè)有效的memoryarea。進(jìn)一步講，這個(gè)area可以被標(biāo)志為只讀或者不可執(zhí)行(nonexecutable)如果進(jìn)程試圖訪問一個(gè)有效的area之外的地址或者用不正確的方式訪問一個(gè)有效的area，內(nèi)核將通過段異常(segmentationfault)殺死這個(gè)進(jìn)程xlanchen@2007.6.2510EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)中可以包含各種內(nèi)容可執(zhí)行文件代碼段的內(nèi)存映射，就是.textsection數(shù)據(jù)段的內(nèi)存映射，.datasectionzeropage的內(nèi)存映射用來包含未初始化的全局變量，.bsssection為庫函數(shù)和鏈接器附加的代碼、數(shù)據(jù)、bss段文件的內(nèi)存映射共享內(nèi)存的映射匿名內(nèi)存區(qū)域的映射，比如通過malloc()函數(shù)申請的內(nèi)存區(qū)域xlanchen@2007.6.2511EmbeddedOperatingSystems進(jìn)程地址空間中所有有效的線性地址都確定的存在于一個(gè)area中memoryareas不重疊進(jìn)程中每個(gè)單獨(dú)的area對應(yīng)一個(gè)不同內(nèi)存區(qū)：堆棧、二進(jìn)制代碼、全局變量、文件映射等等task_struct中的內(nèi)存描述符xlanchen@2007.6.2512EmbeddedOperatingSystems內(nèi)核使用內(nèi)存描述符來描述進(jìn)程的整個(gè)地址空間（即進(jìn)程的全部線性區(qū)）xlanchen@2007.6.2513EmbeddedOperatingSystems內(nèi)存描述符內(nèi)存描述符包含了跟進(jìn)程地址空間相關(guān)的所有信息mm_users表示共享這個(gè)地址空間的進(jìn)程數(shù)目比如兩個(gè)輕量級進(jìn)程共享了這個(gè)area，mm_users就等于2mmap和mm_rb是兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是包含了相同的東西:進(jìn)程地址空間中所有的memoryareas前者使用鏈表存儲areas后者用紅黑樹存儲areas所有的mm_struct結(jié)構(gòu)通過mmlist域鏈接在一個(gè)雙向鏈表上。這個(gè)鏈表的第一個(gè)元素是idle進(jìn)程的mm_struct結(jié)構(gòu)xlanchen@2007.6.2514EmbeddedOperatingSystems分配一個(gè)內(nèi)存描述符copy_mm函數(shù)用來在fork()調(diào)用中從父進(jìn)程拷貝內(nèi)存描述符而mm_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身的空間是從mm_cachep指向的slab緩存中通過allocate_mm()宏分配得到的如果父進(jìn)程在fork()創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，通過一些標(biāo)志指明要和子進(jìn)程共享地址空間。那么，只需要childtask->mm=parent->mmxlanchen@2007.6.2515EmbeddedOperatingSystems釋放一個(gè)內(nèi)存描述符在進(jìn)程退出時(shí)，exit_mm()函數(shù)被調(diào)用首先做一些清除工作，更新一些內(nèi)核全局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接著調(diào)用mmput()，這個(gè)函數(shù)減內(nèi)存描述符的mm_users域如果mm_users域變成了0，就調(diào)用mmdrop()函數(shù)來減mm_count域如果mm_count域變成了0，就由free_mm()宏調(diào)用kmem_cache_free()函數(shù)把mm_struct返還給mm_cachp指向slab緩存xlanchen@2007.6.2516EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)(memoryareas)每個(gè)線性區(qū)由一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)來表示這個(gè)結(jié)構(gòu)描述了一段給定的內(nèi)存區(qū)間區(qū)間中的地址都有同樣的屬性，比如同樣的存取權(quán)限和相關(guān)的操作函數(shù)用這個(gè)結(jié)構(gòu)可以表示各種線性區(qū)，比如映射可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的線形區(qū)、用作用戶態(tài)堆棧的線形區(qū)等等xlanchen@2007.6.2517EmbeddedOperatingSystemsxlanchen@2007.6.2518EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)的存取權(quán)限vm_flags域描述有關(guān)這個(gè)線性區(qū)全部頁的信息。例如，進(jìn)程訪問每個(gè)頁的權(quán)限是什么。還有一些標(biāo)志描述線性區(qū)自身，例如它應(yīng)該如何增長VM_READ,VM_WRITE,VM_EXECVM_SHAREDVM_RESERVEDVM_GROWSUPxlanchen@2007.6.2519EmbeddedOperatingSystems線性區(qū)的鏈表和紅黑樹通過內(nèi)存描述符中的兩個(gè)域mmap和mm_rb都可以訪問線性區(qū)。事實(shí)上，它們都指向了同一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)，只是鏈接的方式不同mmap指向的線性區(qū)鏈表用來遍歷整個(gè)進(jìn)程的地址空間紅黑樹用來定位一個(gè)給定的線性地址落在進(jìn)程地址空間中的哪一個(gè)線性區(qū)中xlanchen@2007.6.2520EmbeddedOperatingSystems處理線性區(qū)內(nèi)核進(jìn)程需要對一個(gè)線性區(qū)進(jìn)行處理，比如確定一個(gè)給定線性地址是否存在于一個(gè)線性地址空間中find_vma()，查找一個(gè)線性地址兩個(gè)參數(shù)：進(jìn)程內(nèi)存描述符的地址mm和線性地址addrxlanchen@2007.6.2521EmbeddedOperatingSystems創(chuàng)建一個(gè)線性區(qū)間mmap()和do_mmap()，創(chuàng)建一個(gè)線性區(qū)根據(jù)file參數(shù)映射指定的文件中偏移量為offset，長度為len的一段內(nèi)容addr參數(shù)指明從何處開始查找一段可用的空閑線性地址區(qū)間Prot參數(shù)指定這個(gè)區(qū)間所包含的頁的存取權(quán)限flags參數(shù)指定這個(gè)創(chuàng)建的線性區(qū)本身的一些標(biāo)志staticinlineunsignedlongdo_mmap(structfile*file, unsignedlongaddr, unsignedlonglen, unsignedlongprot, unsignedlongflag, unsignedlongoffset)

xlanchen@2007.6.2522EmbeddedOperatingSystems刪除一個(gè)線性區(qū)間munmap()和do_munmap()do_munmap()函數(shù)從進(jìn)程地址空間中刪除一段線性空間mm參數(shù)指向了當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)存描述符addr參數(shù)為線性區(qū)的起始地址len參數(shù)指明要刪除的區(qū)間大小int

do_munmap

(struct

mm_struct*mm,unsignedlongaddr, size_t

len) xlanchen@2007.6.2523EmbeddedOperatingSystems缺頁異常（i386中14號異常）如前所述，內(nèi)核只是通過mmap()等調(diào)用分配了一些線性地址空間給進(jìn)程，并沒有真正的把實(shí)際的物理頁框分配給進(jìn)程當(dāng)進(jìn)程試圖訪問這些分配給它的地址空間時(shí)，比如一段線性地址空間映射的是二進(jìn)制代碼，則進(jìn)程被調(diào)度執(zhí)行的時(shí)候會跳轉(zhuǎn)到這個(gè)地址上去執(zhí)行。此時(shí)，并沒有物理頁框?qū)?yīng)于這些線性