嵌入式操作系統(tǒng)原理PPT課件

1、嵌入式LINUX操作系統(tǒng)開發(fā) 體系結(jié)構(gòu)概覽 進程與調(diào)度管理 內(nèi)存管理 文件系統(tǒng) 系統(tǒng)調(diào)用第1頁/共39頁體系結(jié)構(gòu)概覽第2頁/共39頁體系結(jié)構(gòu)概覽 內(nèi)核的功能 進程控制(process management) 內(nèi)存管理(Memory management) 文件系統(tǒng)管理(Filesystem management) 設備驅(qū)動程序(Device control) 網(wǎng)絡(Networking)第3頁/共39頁內(nèi)核層次 內(nèi)核在系統(tǒng)中的位置 用戶進程 系統(tǒng)調(diào)用接口 內(nèi)核 硬件 什么是Linux內(nèi)核？ 從程序員的角度 從用戶的角度第4頁/共39頁系統(tǒng)調(diào)用 內(nèi)核提供的一套C語言函數(shù)庫稱為系統(tǒng)調(diào)用 應用程序使

2、用系統(tǒng)調(diào)用完成編程任務 系統(tǒng)調(diào)用分類 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Linux結(jié)構(gòu)第6頁/共39頁Linux進程管理 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(quán)限，它們都運行在各自獨立的虛擬地址空間。 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(diào)度單位。 第7頁/共39頁 Linux進程概述 程序映像 存放在磁盤上的可執(zhí)行文件的代碼和數(shù)據(jù)的集合稱為可執(zhí)行映象(Executable Image)，即程序 當一個程序（可執(zhí)行映象）裝入系統(tǒng)

3、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頁進程控制塊PCB 進程控制塊PCB是名字為task_struct的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為任務結(jié)構(gòu)體 任務結(jié)構(gòu)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(diào)度的主要依

4、據(jù) 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(jié)構(gòu)體。當進程運行結(jié)束時，系統(tǒng)撤消該進程的任務結(jié)構(gòu)體 Linux在內(nèi)存空間中開辟了一個專門的區(qū)域存放所有進程的任務結(jié)構(gòu)體，在操作系統(tǒng)的內(nèi)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(jié)構(gòu)體的指針,所以task數(shù)組又稱為task向量。 進程的任務結(jié)構(gòu)體是進程存在的唯一標志，調(diào)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Linux調(diào)度分析 Linux進程的狀態(tài)變化第10頁/共39頁進程狀態(tài) 運行態(tài)：進程正在使用CPU運行的狀態(tài)。處于運行態(tài)的進程又稱為當前進程（current proc

5、ess） 可運行態(tài)：進程已分配到除CPU外所需要的其它資源，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(diào)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(jié)束，但它的任務結(jié)構(gòu)體仍在

6、系統(tǒng)中。第11頁/共39頁核心態(tài)和用戶態(tài) Linux的進程處理機上運行時，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(quán)，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(quán)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(nèi)核程序時是處于核心態(tài)下。 用戶態(tài)是進程的普通執(zhí)行狀態(tài)，在用戶態(tài)下進程具有較低的特權(quán)， 只能執(zhí)行規(guī)定的機器指令，不能執(zhí)行特權(quán)指令。進程在用戶態(tài)下只能訪問進程的存儲空間。在用戶態(tài)下進程不能與系統(tǒng)硬件相互作用，不能訪問系統(tǒng)資源。第12頁/共39頁Linux進程調(diào)度方式

7、 Linux系統(tǒng)采用搶占調(diào)度方式，又稱可剝奪調(diào)度方式。采用這種調(diào)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)將剝奪當前進程使用處理機的權(quán)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(zhuǎn)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Linux進程調(diào)度方法 Linux進程調(diào)度采用動態(tài)優(yōu)先級法，調(diào)度對象是可運行隊列， 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)優(yōu)先級。 Linux采取了加權(quán)的方法來保證實時進程優(yōu)先于普通進程。第

8、14頁/共39頁進程調(diào)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(diào)用內(nèi)核函數(shù)do_exit()終止運行并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)用返回到用戶態(tài)時。 時機4中斷處理后，進程返回到用戶態(tài)時。第15頁/共39頁Linux內(nèi)存管理模式 MMU內(nèi)存管理 MMU是內(nèi)存管理單元 內(nèi)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

9、經(jīng)過MMU,虛擬地址可以轉(zhuǎn)化成物理地址 MMU可以在轉(zhuǎn)換過程中檢查權(quán)限，以保護內(nèi)存不受非法訪問 如果沒有MMU,進程與內(nèi)核之間無法隔離和保護，系統(tǒng)容易崩潰16第16頁/共39頁Linux的三級目錄 Linux采用三級目錄底層MMU支持實現(xiàn)存儲管理，可以適應64/32位CPU 三級目錄是頁面目錄、中間目錄和頁表第17頁/共39頁進程空間和內(nèi)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 虛擬系統(tǒng)空間占據(jù)高位1G第18頁/共39頁Linux內(nèi)核啟動分析 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(nèi)核（mizi linux) 編譯根文件系統(tǒng) 使

10、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Linux內(nèi)核啟動分析 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(quán)移交給內(nèi)核 Bootloader事先檢測硬件參數(shù)，例如物理地址 Bootloader加載壓縮的內(nèi)核映像 內(nèi)核自解壓 內(nèi)核將自身定位到正確的物理地址第20頁/共39頁內(nèi)核啟動流程 執(zhí)行init初始化進程 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頁嵌入式LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核 選擇內(nèi)核 內(nèi)核配置 編譯內(nèi)

11、核 安裝內(nèi)核第22頁/共39頁 Linux內(nèi)核源碼 內(nèi)核目錄結(jié)構(gòu)： /usr/src/Linux-* /arch（重點） /drivers /fs /include /init /ipc /kernel /mm /net第23頁/共39頁內(nèi)核配置 進入到內(nèi)核源代碼目錄 cd /usr/src/linux-2.* make config make xconfig make menuconfig make第24頁/共39頁編譯生成的文件 vmlinux 未壓縮的Linux內(nèi)核 varch/boot/zImage 經(jīng)zlib壓縮后的Linux內(nèi)核 varch/boot/bzImage 經(jīng)zlib壓縮

12、后的Linux內(nèi)核，b是指big，壓縮狠 /boot/vmlinuz- 經(jīng)zlib壓縮后的Linux內(nèi)核第25頁/共39頁編譯生成的文件 v/boot/System.map- 內(nèi)核符號地址 /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頁裁剪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 裁剪的對象包括： Linux內(nèi)核 庫 守護進程 GUI第27頁/共39頁裁剪Linux 選擇合適的文件系統(tǒng) ext2，ext3，jffs2 模塊機制 網(wǎng)絡協(xié)議 無用的驅(qū)

13、動程序 調(diào)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頁安裝內(nèi)核 移植相關的文件 相關文件和目錄 arch/arm/config.in arch/arm/Makefile 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頁嵌入式Linux內(nèi)核調(diào)試 Pri

14、ntk() Oops消息 /proc文件系統(tǒng) Kgdb 追蹤工具(strace,ltt,gprof,gcov,memwatch) 第30頁/共39頁Linux調(diào)試工具 Linux系統(tǒng)察看和調(diào)參 /proc文件系統(tǒng) 用戶空間工具： 內(nèi)存工具：MEMWATCH 和 YAMD strace GNU 調(diào)試器（gdb） 內(nèi)核工具： 內(nèi)核源代碼級調(diào)試器（kgdb） 內(nèi)建內(nèi)核調(diào)試器（kdb） Oops第31頁/共39頁/proc文件系統(tǒng) /proc內(nèi)存文件系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)相關信息 可以直接使用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頁通過/proc獲取進程信息 找到相關進程號 找到相關/proc子目錄 獲取特定參數(shù)第33頁/共39頁通過/proc獲取硬件信息 找到相關硬件標識 在/proc中找