01-嵌入式操作系统原理

嵌入式操作系统原理嵌入式LINUX操作系统开发体系结构概览进程与调度管理内存管理文件系统系统调用体系结构概览体系结构概览内核的功能进程控制(processmanagement)内存管理(Memorymanagement)文件系统管理(Filesystemmanagement)设备驱动程序(Devicecontrol)网络(Networking)内核层次内核在系统中的位置用户进程系统调用接口内核硬件什么是Linux内核？从程序员的角度从用户的角度系统调用内核提供的一套C语言函数库称为系统调用应用程序使用系统调用完成编程任务系统调用分类进程管理进程间通信(IPC)文件系统管理网络编程(Socket)Linux结构Linux进程管理Linux是一个多任务多用户操作系统一个任务(task)就是一个进程(process)每一个进程都具有一定的功能和权限，它们都运行在各自独立的虚拟地址空间。在Linux中，进程是系统资源分配的基本单位，也是使用CPU运行的基本调度单位。Linux进程概述程序映像存放在磁盘上的可执行文件的代码和数据的集合称为可执行映象(ExecutableImage)，即程序当一个程序（可执行映象）装入系统中运行时，它就形成了一个进程进程映像进程是由正文段(text)、用户数据段(usersegment)和系统数据段(systemsegment)组成的一个动态实体。正文段中存放着进程要执行的指令代码，具有只读的属性，用户数据段是进程在运行过程中处理数据的集合，它们是进程直接进行操作的所有数据，以及进程使用的进程堆栈。系统数据段存放着进程的控制信息。其中包括进程控制块PCB。进程控制块PCB进程控制块PCB是名字为task_struct的数据结构，称为任务结构体任务结构体中容纳了一个进程的所有信息，是系统对进程进行管理和控制的有效手段，是系统实现进程调度的主要依据当一个进程被创建时，系统就为该进程建立一个task_struct任务结构体。当进程运行结束时，系统撤消该进程的任务结构体Linux在内存空间中开辟了一个专门的区域存放所有进程的任务结构体，在操作系统的内核空间设置了一个task数组，该数组的每一个元素是一个指向任务结构体的指针,所以task数组又称为task向量。进程的任务结构体是进程存在的唯一标志，调度程序维护current指针，它指向当前正在运行的进程。Linux调度分析Linux进程的状态变化进程状态运行态：进程正在使用CPU运行的状态。处于运行态的进程又称为当前进程（currentprocess）可运行态：进程已分配到除CPU外所需要的其它资源，等待系统把CPU分配给它之后即可投入运行等待态：又称睡眠态，它是进程正在等待某个事件或某个资源时所处的状态。等待态进一步分为可中断的等待态和不可中断的等待态。处于可中断等待态的进程可以由信号(signal)解除其等待态。处于不可中断等待态的进程，一般是直接或间接等待硬件条件。它只能用特定的方式来解除，例如使用唤醒函数wake_up()等暂停态：进程需要接受某种特殊处理而暂时停止运行所处的状态。通常进程在接受到外部进程的某个信号进入暂停态，例如，正在接受调试的进程就处于这种状态。僵死态：进程的运行已经结束，但它的任务结构体仍在系统中。核心态和用户态Linux的进程处理机上运行时，处理机提供了两种不同的的执行状态，核心态(kernelmode)和用户态(usermode)。核心态又称系统态，它具有较高的特权，能执行所有的机器指令，包括由操作系统执行的特权指令，能访问所有的寄存器和存储区域，能直接控制所有的系统资源。Linux在执行内核程序时是处于核心态下。用户态是进程的普通执行状态，在用户态下进程具有较低的特权，只能执行规定的机器指令，不能执行特权指令。进程在用户态下只能访问进程的存储空间。在用户态下进程不能与系统硬件相互作用，不能访问系统资源。Linux进程调度方式Linux系统采用抢占调度方式，又称可剥夺调度方式。采用这种调度方式时，对于当前运行的进程而言，当有更紧急的进程到来时，系统将剥夺当前进程使用处理机的权利，立即停止它在处理机上的运行，而把处理机分配给那个更紧急的进程。Linux采用时间片轮转法。对某个运行中的进程，当它的时间片用完时，系统将停止它的运行并把处理机分配给其它进程。Linux进程调度方法Linux进程调度采用动态优先级法，调度对象是可运行队列，可运行队列中优先级大的进程首先得到CPU投入运行。进程在运行中，counter的代表进程的动态优先级。Linux采取了加权的方法来保证实时进程优先于普通进程。进程调度时机时机1．进程状态发生变化时。处于运行态下的进程要等待某种资源，运行态下的进程在程序执行完毕后，一般通过调用内核函数do_exit()终止运行并转入僵死态。处于等待态的进程被唤醒后，将加入到可运行队列中时。进程从运行态转入暂停态时。进程从暂停态成为可运行态时。时机2．当前进程时间片用完时。时机3．进程从系统调用返回到用户态时。时机4．中断处理后，进程返回到用户态时。Linux内存管理模式MMU内存管理MMU是内存管理单元内存的管理单位是页(page),通常是4K或8K虚拟地址与物理地址物理地址可以位于RAM/FLASH/DISK经过MMU,虚拟地址可以转化成物理地址MMU可以在转换过程中检查权限，以保护内存不受非法访问如果没有MMU,进程与内核之间无法隔离和保护，系统容易崩溃17Linux的三级目录Linux采用三级目录＋底层MMU支持实现存储管理，可以适应64/32位CPU三级目录是页面目录、中间目录和页表进程空间和内核空间进程名义上有4G的空间实际上只有3G属于进程本身虚拟系统空间占据高位1GLinux内核启动分析搭建开发环境宿主机和目标机交叉编译编译引导程序（u-boot或者vivi)编译内核（mizilinux)编译根文件系统使用JTAG将编译好的映像写入目标板可以写入到NorFlash当中可以写入到NandFlash当中Linux内核启动分析上电CPU根据设置读取Flash中的BootloaderBootloader作两段式加载Bootload将控制权移交给内核Bootloader事先检测硬件参数，例如物理地址Bootloader加载压缩的内核映像内核自解压内核将自身定位到正确的物理地址内核启动流程执行init初始化进程启动一个shell执行启动脚本文件显示登录提示符等待登录谢谢大家问题建议反馈后续资源