(东南大学集成电路课程)嵌入式Linux体系结构

1、东南大学集成电路学院国家ASIC系统工程技术研究中心国家ASIC系统工程技术研究中心主要内容主要内容n什么是嵌入式什么是嵌入式Linuxn嵌入式嵌入式Linux的特点的特点n嵌入式嵌入式Linux系统结构系统结构国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linuxn 嵌入式Linux一般是指对标准Linux进行裁剪、定制乃至改造处理之后，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。 uCLinux RTLinux RTAI MontaVista Linux (Hard Hat Linux) MobiLinux Embedix Blue Cat Linux Android Linux国家

2、ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux：Linux简介nLinux 还是 GNU/Linux？ Linux：开源的类UNIX操作系统内核 GNU/Linux：集成GNU (GNUs Not Unix) 软件（窗口系统、编译器、各种 shell、应用程序和开发工具等）和Linux内核的操作系统。 GPL（ GNU General Public License ）许可证协议下，GNU软件可以自由地“使用、复制、修改和发布”（CopyLeft） LGPL（ GNU Lesser General Public License ）国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：Li

3、nux简介n1991年，Linux之父，芬兰赫尔辛基大学的学生：Linus Torvalds，发布第一个Linux版本国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：Linux简介nLinux内核版本国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：Linux简介n0.00（1991年24月）：两个进程分别显示AAA BBB。n1.0（1993年3月）：在一批高水平黑客的参与下，诞生第一个正式版本。n2.0（1996年6月）：可支持多个处理器SMP 。n2.2（1999年1月）：增加了对进程的POSIX能力的支持。n2.4（2001年1月）：进一步提升SMP系统的扩展性，集成

4、了很多用于支持桌面系统的特性，如对USB、PCMCIA的支持，内置的即插即用等功能。n2.6（2003年12月）：更好地支持大型多处理服务器；更好地支持嵌入式设备，如手机、网络路由器或者视频录像机等；对鼠标和键盘指令等用户行为反应更加迅速；块设备驱动程序做了彻底更新，如与硬盘和CD光驱通信的软件模块。n3.0（2011年5月）：改变版本命令规则国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：Linux简介nLinux 内核版本编号方式内核版本编号方式1.01.0版本前版本前0.XX非正式版本1.0 2.6.01.0 2.6.0版本版本A.B.CA：主版本号B：次版本号（偶数表示稳定版

5、本，奇数表示开发版本）C：修订版本号2.6.03.02.6.03.0版本版本A.B.C.DC：修订版本号（time-based）D：bug修复，安全更新，添加新特性和驱动的次数3.03.0版本以后版本以后A.B.CB：修订版本号（time-based）C：bug修复，安全更新，添加新特性和驱动的次数国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：Linux简介nGNU/Linux发行套件国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：嵌入式Linuxn内核的定制：嵌入式Linux 内核 为特殊的硬件配置、或为了支持特别的应用而经过特别的裁剪的修改过的Linux 内核n系统的

6、定制：嵌入式Linux 系统 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux系统软件n发行套件的定制：嵌入式Linux 发行套件 为了在嵌入式系统中使用而剪裁过的Linux应用软件国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：嵌入式应用国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux ：嵌入式应用n实时性 硬实时 软实时 宽松时限n硬件规模 小型（CPU100MHz，内存32MB） 中型（CPU500MHz，内存1GHz，内存1GMB）国家ASIC系统工程技术研究中心什么是嵌入式Linux nuClinux (Micro-Control-Linux)：专门针对无MMU的微控制器领

7、域而设计的嵌入式Linux 系统nARM Linux：专门针对无ARM处理器（有MMU）的嵌入式Linux 系统nRTLinux：硬实时微内核的实时操作系统，将普通Linux系统作为一个低优先级的任务来运行，其他的实时任务优先级比普通Linux 系统要高。nRATI（RealTime Application Interface）：嵌入式Linux 系统的硬实时补丁，类同RTLinux，但通过实时硬件抽象层实现实时任务和Linux的交互。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点n标准Linux的特点（1） 单体内核（ monolithic ） 借鉴了微内核的特性，具有动态调入模块的

8、观念，比传统的单体内核操作系统可移植性更强。 多任务 采用时间片轮转优先级抢占的算法，实现多任务并行。 多用户 多个用户可以在同一时间内使用系统，同一用户可以同时并行执行多个任务。操作系统可以同时管理多个用户的请求和多个任务。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点n标准Linux的特点（2） 支持多种处理器体系结构 X86、ARM、MIPS、M68K、PowerPC、SH、SPARC 支持MMU和non-MMU的处理器 支持32位和64位的处理器 支持多处理器（SMP） 支持32个CPU并行工作 支持多种总线接口和外部设备国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点n

9、标准Linux的特点（3） 支持虚拟内存 4GB虚拟地址空间，用户空间3GB。 支持多种文件系统 通过虚拟文件系统（VFS）屏蔽了各种不同文件系统的内在差别，使得用户可以使用同样的方式访问各种不同格式的文件系统：EXT、FAT、YAFFS。 通过逻辑卷管理（LVM）可以在运行时动态伸缩文件系统的大小，或增加文件系统。 支持网络文件系统（NFS） 支持内核虚拟机（KVM） 允许在宿主 Linux 内核的用户空间中运行其他客户操作系统。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点n标准Linux的特点 规范性和可移植性 支持POSIX（ Portable Operating System

10、 Interface ）标准 GNU工具的支持：GCC、GDB、GNU make、GNU ld 实时性 支持内核线程（守护进程），2.6版本以后内核线程可抢占。 有效的延迟机制：下半部分，软中断，tasklet和工作列队等。可以针对任务的轻重缓急，更细粒度的选择执行时机。保证了系统运行时尽量在安全时间（不关中断）。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点n标准Linux的特点 开放性 遵循GPL许可证协议，开放源代码，全世界的开发者共同使用和维护 无授权费用 开源社区的支持，快速的技术更新国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点nLinux没有的 强迫性的软件升级

11、私有的文件格式 产品注册登记 高昂的软件价格国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特点nLinux 2.6内核针对嵌入式系统的改进 实时性显著提高 允许抢占以内核态运行的任务（包括通过系统调用进入内核模式的用户任务）。 更加有效的调度算法。算法复杂度为O(1)。 同步性的提高。 增加对嵌入式处理器的支持 增加了对无MMU系统的支持。 面向嵌入式应用 子系统架构将功能模块化，可以定制而对其他部分影响最小，便于裁剪和移植。 改善了I/O子系统，提供了更多嵌入式外设的支持以实现各种应用开发。 可以配置成无输入和显示的纯粹无用户接口系统。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux的特

12、点n嵌入式Linux的特点 需要交叉编译开发 具有更强的实时性 根据硬件资源限制和应用需求进行裁剪国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构n引导系统（Bootloader）n系统内核（Kernel）n文件系统（File System）国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：BootloadernBootLoader回顾 Boot Loader 是在操作系统内核运行之前首先运行的第一段小程序：初始化硬件设备；建立内存空间的映射图；加载操作系统内核镜像到RAM中，并将系统的控制权传递给它。 BootLoader依赖于CPU体系结构和板级硬件配置 BootLoade

13、r通常预先划分好固态存储设备的空间，用于存放镜像。 BootLoader通常支持启动加载和下载两种模式。 BootLoader的操作通常分为两个阶段。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Bootloadern第一阶段操作1. 屏蔽所有的中断2. 设置CPU 的速度和时钟频率3. RAM 初始化4. 初始化硬件调试端口（LED/UART）。5. 关闭CPU 内部指令数据cache6. 为第二阶段准备RAM 空间7. 拷贝第二阶段代码到RAM 中8. 设置堆栈指针sp9. 跳转到第二阶段的入口点国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Bootloadern第

14、二阶段操作1. 初始化本阶段要使用到的硬件设备2. 检测系统内存映射(memory map)3. 将kernel 映像和根文件系统映像从flash 上读到RAM 空间中4. 为内核设置启动参数5. 调用内核国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Bootloadern在嵌入式Linux系统中，需要由BootLoader设置的参数有： 内核参数，如页面大小、根设备 内存映射情况 命令行参数 initrd映像参数 起始地址，大小 Ramdisk参数 解压后的大小国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Bootloadern嵌入式Linux系统常用BootLoad

15、er： UBoot RedBoot Blob国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构nGNU/Linux系统构成 应用程序 库 系统内核国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构n嵌入式Linux应用程序 程序文件采用ELF格式或AOUT格式 运行在用户空间，必须通过Linux内核访问资源 支持图形用户界面，需要第三方GUI软件 X11 Window QT Micro Window MiniGUIn库：通常为共享库（.so），需要链接到应用程序运行。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内核：实际上仅仅是一个资源管理器。不管被管理

16、的资源是进程、内存还是硬件设备，内核负责管理并裁定多个竞争用户对资源的访问（既包括内核空间也包括用户空间）。 n内核构成 体系结构层 设备驱动 内存管理 进程管理 虚拟文件系统 网络协议 系统调用接口国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kernel国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程 在Linux内核中，进程代表了单独的处理器虚拟化（线程代码、数据、堆栈和 CPU 寄存器）。 系统资源分配的基本单位。由正文段(text)、用户数据段(user segment)和系统数据段(system segment)组成的动态实体。国家ASIC系

17、统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管理进程管理 通过进程描述符（task_struct数据结构，进程控制块PCB ）描述进程，是进程存在的唯一标志。 进程描述符放在动态内存中而且和内核态的进程栈放在一个独立的8KB的内存区中 进程描述符进程标识(PID)进程状态(State)进程调度信息和策略标识号(Identifiers)进程通信有关的信息(IPC)进程链接信息(Links)时间和定时器信息(Times and Timers)文件系统信息(Files System)处理器相关的上下文信息国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管

18、理：状态机国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管理 基本操作 fork： 通过复制调用进程来建立新的进程，是最基本的进程建立过程 exec ：包括一系列系统调用，它们都是通过用一个新的程序覆盖原来的内存空间，实现进程的转变 wait：提供初级的进程同步措施，能使一个进程等待，直到另外一个进程结束为止。 exit：该系统调用用来终止一个进程的运行国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kernel国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kernel国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进

19、程管理 fork调用结束时，内核在系统的物理内存中为新进程分配新的task_struct结构，并为新进程要使用的堆栈分配物理页和进程标志符 exec并不创建新进程 exec前后进程ID是不变的，仅替代了当前进程的正文、数据、堆和栈国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管理：进程父子关系国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管理 Linux中的0号进程,通常称为swapper进程，是所有进程的祖先。由它执行cpu_idle()函数，当没有其他进程处于TASK_RUNNING的时候，调度程序会选择0号进程运行 0号进程创建

20、1号进程，通常称为init进程。它创建和监控其他进程的活动国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln进程管理：进程调度 O(1)调度器 普通进程动态优先调度（时间片轮转）周期性地修改进程的优先级（避免饥饿）根据进程的counter值，平均睡眠时间长的提升优先级 实时进程静态优先级调度（FIFO或时间片轮转） RSDL (Rotating Staircase Deadline)调度器 CFS (Completely Fair Schedule)调度器 BFS (Brain Fuck Scheduler)调度器国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：

21、Kernel国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内存管理 与体系结构无关的三级/四级页表模型 pgd，页目录 pmd，页中级目录 pte，页表项国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内存管理 各进程拥有自己的3G用户空间 内核占用最高的1G作为系统空间，系统空间由所有进程共享国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内存管理 1G内核空间的后128MB用作实现非连续内存分配和固定映射的线性地址国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内存管理 实现了基于区的伙伴系统

22、(Buddy System)能够快速的满足各种大小的分配要求，同时减少碎片。 实现了slab分配器，把存储器区看作对象，对象按照类型分组成不同的高速缓存。解决请求内存小于一页的问题，改进伙伴系统的效率。 非连续存储器区的管理，允许将连续的线性地址映射到非连续的物理页。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln设备驱动 完成与硬件相关的具体操作细节 提供一组抽象接口完成和操作系统之间的交互 运行在高特权级的处理器环境中 可采用内核模块（ Loadable Kernel Module，LKM ）的实现方式国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Ker

23、neln内核模块 可以动态链入内核的代码块 在内核空间运行 实际上是一种目标对象文件，没有链接，不能独立运行。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内核模块的优点 将来修改内核时，节省编译时间； 若需要安装新的模块，只要插入 (通过insmod命令) 对应的模块即可； 减少内核对系统资源的占用，内核可以集中精力做最基本的事情，把一些扩展功能都交由模块实现。模块也可以用来尝试新的内核代码，而不需要每次都创建和重激活内核。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln内核模块潜在的问题： 对系统性能和内存利用有负面影响； 装入的内核模块和

24、其他内核部分一样，具有相同的访问权限，因此，差的内核模块会导致系统崩溃； 有些模块要求利用其他模块的功能，因此，内核要维护模块之间的依赖性。 内核必须能够在卸载模块时通知模块，并且要释放分配给模块的内存和中断等资源； 内核版本和模块版本的不兼容也可能导致系统崩溃。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln设备驱动（中断处理） 当执行中断处理程序或下半部时,内核处于中断上下文 中断上下文不同于进程上下文，中断或异常处理程序执行的代码不是一个进程。它是一个内核控制路径，代表了中断发生时正在运行的进程执行,作为一个进程的内核控制路径，中断处理程序比一个进程要“轻”(中断

25、上下文只包含了很有限的几个寄存器，建立和终止这个上下文所需要的时间很少) 中断上下文不可以睡眠,也不能调用某些函数,具有较为严格的时间限制国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln设备驱动 下半部可以通过多种机制实现，分别由不同的接口和子系统组成 BH接口静态创建 由32 个 Bottom half组成的链表 Taskqueue 任务队列 机制 软中断 Tasklet 工作队列国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：Kerneln嵌入式Linux内核源代码组织国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：File Systemn嵌入式

26、Linux文件系统 在Linux中没有盘符的概念，每个文件都以唯一的名称存储在系统的目录中。我们可以把整个目录系统看成一个树形结构，其中有很多目录分枝。所有的目录都会连接到“根”目录，用单斜线 (/)表示。 Linux继承了Unix的资源访问方式，所有的资源访问控制都是基于文件的。在Linux中各种硬件设备、端口设备甚至内存都是以文件形式存在的。 通过虚拟文件系统（VFS）在内核中提供一个文件系统框架（接口函数集、管理用的数据结构、各种缓存机制）为各种文件系统提供通用接口，即通用文件模型。国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：File Systemn嵌入式Linux文件系统构成国家ASIC系统工程技术研究中心嵌入式Linux系统结构：File Systemn嵌入式Linux文件系统 VFS由以下对象类型组成 超级块对象：存放已安装文件系统信息 索引节点对象：存放文件信息，每个索引节点对象的索引节点号唯一地标识了文件系