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第三章嵌入式Linux操作系統(tǒng)3.1

概述1、完全開(kāi)放源代碼

使學(xué)習(xí)、修改、剪裁Linux成為可能，設(shè)計(jì)者可對(duì)嵌入式Linux進(jìn)行二次開(kāi)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(gè)系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)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(kāi)發(fā)工具也是遵守GPL協(xié)議，同樣可以免費(fèi)獲得。嵌入式Linux的特點(diǎn)3、豐富的實(shí)用軟件支持Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)完整的、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)、提供了大量的實(shí)用程序和各種各樣的應(yīng)用軟件。Linux的實(shí)時(shí)性一般的通用linux已經(jīng)具備一定的實(shí)時(shí)性但無(wú)法滿足硬實(shí)時(shí)的要求運(yùn)行于linux內(nèi)核空間的進(jìn)程（核心態(tài)）不能被搶先在linux中，中斷有時(shí)候會(huì)出于保護(hù)臨界區(qū)操作的目的而被屏蔽通用linux的時(shí)間滴答長(zhǎng)度為10ms（硬件時(shí)鐘頻率100HZ），但是這對(duì)于時(shí)間精度要求很高（微秒級(jí)）的實(shí)時(shí)進(jìn)程來(lái)說(shuō)是不夠的嵌入式Linux發(fā)展現(xiàn)狀1、RT-LinuxRT-Linux是一硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微內(nèi)核的小的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而將普通Linux系統(tǒng)作為一個(gè)該操作系統(tǒng)中的一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)運(yùn)行通過(guò)軟件來(lái)模擬硬件的中斷控制器普通Linux系統(tǒng)中的任務(wù)可以通過(guò)FIFO和實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行通信RT-Linux通過(guò)將系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置為單次觸發(fā)狀態(tài)，可以提供十幾個(gè)微秒級(jí)的調(diào)度粒度

2、KURT-Linux

KURT-Linux強(qiáng)化了Linux的時(shí)鐘機(jī)制和調(diào)度機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)的Linux將時(shí)鐘間隔固定為10ms,在最好情況下也需要100ms進(jìn)行一次重調(diào)度。KURT-Linux通過(guò)修改時(shí)鐘管理模塊，使時(shí)鐘在以u(píng)s為單位在任何需要時(shí)都可以產(chǎn)生中斷。同時(shí)增加了實(shí)時(shí)調(diào)度模塊，使KURT-Linux可以同時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)和分時(shí)任務(wù)運(yùn)行。3、uc-Linux

uc-Linux的基本思想是去掉標(biāo)準(zhǔn)Linux里的虛擬存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(hào)；y:0～99之間，偶數(shù)是可發(fā)布的穩(wěn)定版本，奇數(shù)是測(cè)試版本。z:表示內(nèi)核變化比較小，開(kāi)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(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的核心管理調(diào)用。二、內(nèi)核的組成內(nèi)核包括：進(jìn)程管理、定時(shí)器、中斷管理、內(nèi)存管理、模塊管理、虛擬文件接口、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)啟動(dòng)等程序。1、進(jìn)程管理有一段程序供其執(zhí)行。這段程序不一定是進(jìn)程所專有的可以和其它進(jìn)程共用。有起碼的“私有財(cái)產(chǎn)”，即有進(jìn)程專用的系統(tǒng)堆?？臻g。有戶口”，即對(duì)每個(gè)進(jìn)程系統(tǒng)都會(huì)為其建立一個(gè)稱為“進(jìn)程控制塊”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄進(jìn)程占用的各種資源，進(jìn)程才能被系統(tǒng)調(diào)度。有獨(dú)立的存儲(chǔ)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(gòu)成進(jìn)程的要素〔2）進(jìn)程的三個(gè)特性獨(dú)立性：擁有自己的獨(dú)立資源，不經(jīng)過(guò)進(jìn)程本身允許，其它進(jìn)程不能訪問(wèn)這些資源。動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程和程序的區(qū)別是，程序是靜態(tài)的指令集合，進(jìn)程是正在系統(tǒng)中活動(dòng)的指令集合。進(jìn)程有自己的生命周期和各種不同的狀態(tài)。并發(fā)行：多個(gè)進(jìn)程可以在單處理器狀態(tài)上并發(fā)執(zhí)行。4、進(jìn)程的狀態(tài)和調(diào)度（1）就緒態(tài)：進(jìn)程已獲得所有的所需其它資源，并正申請(qǐng)?zhí)幚砥髻Y源，準(zhǔn)備運(yùn)行。阻塞態(tài)：進(jìn)程需要等待所需資源而放棄處理器，或因?yàn)槠渌Y源沒(méi)有得到，即使得到處理器也不能運(yùn)行。運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程得到處理器，并不需要其它資源，正在執(zhí)行的狀態(tài)。進(jìn)程在生命周期中要經(jīng)歷一下三種狀態(tài)：Linux系統(tǒng)對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行了組織，分為以下幾個(gè)狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程被CPU執(zhí)行，或已準(zhǔn)備就緒隨時(shí)可以有調(diào)度程序執(zhí)行。（2）不可中斷睡眠狀態(tài)：當(dāng)資源有效時(shí)，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(jìn)程被暫停，需要其它進(jìn)程的信號(hào)才能喚醒。（2）可中斷睡眠狀態(tài)：當(dāng)資源有效時(shí)，可由操作系統(tǒng)喚醒，也可以由其它進(jìn)程的信號(hào)喚醒。（4）僵尸狀態(tài)：進(jìn)程結(jié)束，并釋放了大部分資源，但沒(méi)有釋放進(jìn)程控制塊。

系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建進(jìn)程，若申請(qǐng)不到某個(gè)資源，調(diào)用sleep()進(jìn)行休眠。進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用exit()或收到外部的殺死進(jìn)程信號(hào)SIG_KILL,進(jìn)程變成僵尸狀態(tài)，釋放所有資源。同時(shí)啟動(dòng)shedule()。進(jìn)程調(diào)度調(diào)度時(shí)機(jī)a.用戶進(jìn)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(shí)，直接調(diào)用schedule()進(jìn)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(dāng)前進(jìn)程的PCB中的need_resched=1，則發(fā)生調(diào)度；硬件時(shí)鐘（晶振，CMOS電路）

定時(shí)器8253

中斷控制器8259

CPU

Linux的內(nèi)存管理一般可以實(shí)現(xiàn)以下功能：可以運(yùn)行比內(nèi)存還要大的程序?？梢赃\(yùn)行只加載了部分的程序，縮短了程序啟動(dòng)時(shí)間。可以使多個(gè)程序同時(shí)駐留在內(nèi)存中，提高CPU的利用率?？梢灾囟ㄎ怀绦?，程序可以放在內(nèi)存的任何一處，可以在執(zhí)行過(guò)程中移動(dòng)。減輕程序員分配內(nèi)存和管理內(nèi)存資源的負(fù)擔(dān)。提供內(nèi)存保護(hù)，進(jìn)程不能以非授權(quán)方式訪問(wèn)或修改頁(yè)面。2、內(nèi)存管理μclinux的內(nèi)存管理

μclinux的設(shè)計(jì)是針對(duì)NO-MMU的處理器，μclinux在設(shè)計(jì)時(shí)去除了Linux系統(tǒng)的虛存管理部分，采用了實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。μclinux系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各進(jìn)程共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)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(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員就必須告訴系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板擁有多少物理內(nèi)存。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)必須考慮內(nèi)存分配情況和應(yīng)用程序需要運(yùn)行空間的大小。程序開(kāi)發(fā)時(shí)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(shè)備與對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。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(wù)之間的一個(gè)接口層，它對(duì)每一個(gè)具體的文件系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)進(jìn)行抽象，使得不同的文件系統(tǒng)在Linux核心以及系統(tǒng)中運(yùn)行的其它進(jìn)程看來(lái)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(shí)建立，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)消亡。4、網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)接口分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備通信。5、進(jìn)程間的通信用戶態(tài)的進(jìn)程是相互隔離的，為了協(xié)調(diào)各進(jìn)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(jìn)程間的通信。3.3Linux系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、task-struct代表一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針構(gòu)成一個(gè)task數(shù)組。共調(diào)度管理。二、mm-struct每個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存由一個(gè)mm-struct結(jié)構(gòu)來(lái)代表。該結(jié)構(gòu)實(shí)際上包含了當(dāng)前執(zhí)行鏡像的有關(guān)信息，并且包含了一組指向vm-area-struct結(jié)構(gòu)的指針，vm-area-struct結(jié)構(gòu)描述了虛擬內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域。三、inode虛擬文件系統(tǒng)中的文件、目錄、等均由對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)（inode）代表。每個(gè)VFS索引節(jié)點(diǎn)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(shè)備，它還被buffercache使用。五、device系統(tǒng)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示，此結(jié)構(gòu)被塊設(shè)備和字符設(shè)備用來(lái)向核心登記。3.4Linux系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)

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