通信原理大綜合課件高頻全

第三章嵌入式Linux操作系統(tǒng)3.1

概述1、完全開放源代碼

使學習、修改、剪裁Linux成為可能，設計者可對嵌入式Linux進行二次開發(fā)。去掉操作系統(tǒng)的附加功能，只保留必須的操作系統(tǒng)功能，降低整個系統(tǒng)的開銷與能耗。2、成本低

只要遵守GPL協(xié)議，嵌入式操作系統(tǒng)的源代碼可以自由獲得，大多數(shù)嵌入式Linux使用的開發(fā)工具也是遵守GPL協(xié)議，同樣可以免費獲得。嵌入式Linux的特點3、豐富的實用軟件支持Linux操作系統(tǒng)是一個完整的、功能強大的操作系統(tǒng)、提供了大量的實用程序和各種各樣的應用軟件。Linux的實時性一般的通用linux已經(jīng)具備一定的實時性但無法滿足硬實時的要求運行于linux內(nèi)核空間的進程（核心態(tài)）不能被搶先在linux中，中斷有時候會出于保護臨界區(qū)操作的目的而被屏蔽通用linux的時間滴答長度為10ms（硬件時鐘頻率100HZ），但是這對于時間精度要求很高（微秒級）的實時進程來說是不夠的嵌入式Linux發(fā)展現(xiàn)狀1、RT-LinuxRT-Linux是一硬實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了一個微內(nèi)核的小的實時操作系統(tǒng)，而將普通Linux系統(tǒng)作為一個該操作系統(tǒng)中的一個低優(yōu)先級的任務來運行通過軟件來模擬硬件的中斷控制器普通Linux系統(tǒng)中的任務可以通過FIFO和實時任務進行通信RT-Linux通過將系統(tǒng)的實時時鐘設置為單次觸發(fā)狀態(tài)，可以提供十幾個微秒級的調(diào)度粒度

2、KURT-Linux

KURT-Linux強化了Linux的時鐘機制和調(diào)度機制。標準的Linux將時鐘間隔固定為10ms,在最好情況下也需要100ms進行一次重調(diào)度。KURT-Linux通過修改時鐘管理模塊，使時鐘在以us為單位在任何需要時都可以產(chǎn)生中斷。同時增加了實時調(diào)度模塊，使KURT-Linux可以同時調(diào)度實時任務和分時任務運行。3、uc-Linux

uc-Linux的基本思想是去掉標準Linux里的虛擬存儲器管理功能。一方面減小內(nèi)核的體積，另一方面增加了系統(tǒng)的實時性能。3.2Linux內(nèi)核一、Linux的內(nèi)核版本格式：Linuxx.y.zx:表示主要版本號；y:0～99之間，偶數(shù)是可發(fā)布的穩(wěn)定版本，奇數(shù)是測試版本。z:表示內(nèi)核變化比較小，開發(fā)者可以忽略此變化。

內(nèi)核（Kernel)是操作系統(tǒng)的內(nèi)部核心程序，它向外部提供了對計算機設備的核心管理調(diào)用。二、內(nèi)核的組成內(nèi)核包括：進程管理、定時器、中斷管理、內(nèi)存管理、模塊管理、虛擬文件接口、網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)啟動等程序。1、進程管理有一段程序供其執(zhí)行。這段程序不一定是進程所專有的可以和其它進程共用。有起碼的“私有財產(chǎn)”，即有進程專用的系統(tǒng)堆?？臻g。有戶口”，即對每個進程系統(tǒng)都會為其建立一個稱為“進程控制塊”的數(shù)據(jù)結構，記錄進程占用的各種資源，進程才能被系統(tǒng)調(diào)度。有獨立的存儲空間，即有專用的用戶空間，意味著還擁有專用的用戶空間堆棧。這四條是必須的，如果只由前三條，則稱為線程。（1）構成進程的要素〔2）進程的三個特性獨立性：擁有自己的獨立資源，不經(jīng)過進程本身允許，其它進程不能訪問這些資源。動態(tài)性：進程和程序的區(qū)別是，程序是靜態(tài)的指令集合，進程是正在系統(tǒng)中活動的指令集合。進程有自己的生命周期和各種不同的狀態(tài)。并發(fā)行：多個進程可以在單處理器狀態(tài)上并發(fā)執(zhí)行。4、進程的狀態(tài)和調(diào)度（1）就緒態(tài)：進程已獲得所有的所需其它資源，并正申請?zhí)幚砥髻Y源，準備運行。阻塞態(tài)：進程需要等待所需資源而放棄處理器，或因為其它資源沒有得到，即使得到處理器也不能運行。運行態(tài)：進程得到處理器，并不需要其它資源，正在執(zhí)行的狀態(tài)。進程在生命周期中要經(jīng)歷一下三種狀態(tài)：Linux系統(tǒng)對各種狀態(tài)進行了組織，分為以下幾個狀態(tài)：運行狀態(tài)：進程被CPU執(zhí)行，或已準備就緒隨時可以有調(diào)度程序執(zhí)行。（2）不可中斷睡眠狀態(tài)：當資源有效時，可由操作系統(tǒng)喚醒，否則一直處于等待狀態(tài)。（3）掛起狀態(tài)：進程被暫停，需要其它進程的信號才能喚醒。（2）可中斷睡眠狀態(tài)：當資源有效時，可由操作系統(tǒng)喚醒，也可以由其它進程的信號喚醒。（4）僵尸狀態(tài)：進程結束，并釋放了大部分資源，但沒有釋放進程控制塊。

系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建進程，若申請不到某個資源，調(diào)用sleep()進行休眠。進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用exit()或收到外部的殺死進程信號SIG_KILL,進程變成僵尸狀態(tài)，釋放所有資源。同時啟動shedule()。進程調(diào)度調(diào)度時機a.用戶進程自愿放棄CPU，如執(zhí)行sleep()系統(tǒng)調(diào)用；b.系統(tǒng)調(diào)用中，需要等待時，直接調(diào)用schedule()進行調(diào)度；c.系統(tǒng)調(diào)用、中斷或異常處理完成后，返回到用戶空間前，若當前進程的PCB中的need_resched=1，則發(fā)生調(diào)度；硬件時鐘（晶振，CMOS電路）

定時器8253

中斷控制器8259

CPU

Linux的內(nèi)存管理一般可以實現(xiàn)以下功能：可以運行比內(nèi)存還要大的程序?？梢赃\行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動時間?？梢允苟鄠€程序同時駐留在內(nèi)存中，提高CPU的利用率。可以重定位程序，程序可以放在內(nèi)存的任何一處，可以在執(zhí)行過程中移動。減輕程序員分配內(nèi)存和管理內(nèi)存資源的負擔。提供內(nèi)存保護，進程不能以非授權方式訪問或修改頁面。2、內(nèi)存管理μclinux的內(nèi)存管理

μclinux的設計是針對NO-MMU的處理器，μclinux在設計時去除了Linux系統(tǒng)的虛存管理部分，采用了實存儲器管理策略。μclinux系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，各進程共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進程分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入內(nèi)存的連續(xù)空間中。從編譯內(nèi)核開始，開發(fā)人員就必須告訴系統(tǒng)開發(fā)板擁有多少物理內(nèi)存。開發(fā)人員在開發(fā)應用程序時必須考慮內(nèi)存分配情況和應用程序需要運行空間的大小。程序開發(fā)時要保證不侵犯其它程序的地址空間。3、虛擬文件系統(tǒng)VFS

它的主要功能包括：記錄可用的文件系統(tǒng)的類型。把設備與對應的文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。處理一些面向文件的通用操作。

虛擬文件系統(tǒng)VFS是物理文件系統(tǒng)與服務之間的一個接口層，它對每一個具體的文件系統(tǒng)的所有細節(jié)進行抽象，使得不同的文件系統(tǒng)在Linux核心以及系統(tǒng)中運行的其它進程看來都是相同的。

VFS只是一種存在于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)自舉時建立，在系統(tǒng)關閉時消亡。4、網(wǎng)絡接口

網(wǎng)絡接口分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡驅(qū)動程序網(wǎng)絡協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議網(wǎng)絡驅(qū)動程序負責與硬件設備通信。5、進程間的通信用戶態(tài)的進程是相互隔離的，為了協(xié)調(diào)各進程使用系統(tǒng)資源和同步工作，在它們之間建立的聯(lián)系方式稱為進程間的通信。3.3Linux系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構一、task-struct代表一個進程的數(shù)據(jù)結構，各進程的數(shù)據(jù)結構的指針構成一個task數(shù)組。共調(diào)度管理。二、mm-struct每個進程的虛擬內(nèi)存由一個mm-struct結構來代表。該結構實際上包含了當前執(zhí)行鏡像的有關信息，并且包含了一組指向vm-area-struct結構的指針，vm-area-struct結構描述了虛擬內(nèi)存的一個區(qū)域。三、inode虛擬文件系統(tǒng)中的文件、目錄、等均由對應的索引節(jié)點（inode）代表。每個VFS索引節(jié)點中的內(nèi)容由文件系統(tǒng)的專屬的例程提供。四、block-dev-struct用于向核心登記塊設備，它還被buffercache使用。五、device系統(tǒng)中每個網(wǎng)絡設備都用一個數(shù)據(jù)結構來表示，此結構被塊設備和字符設備用來向核心登記。3.4Linux系統(tǒng)目錄結構

移植Linu