《ARMLinux内核.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ARMLinux内核.ppt（74页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1,ARMLinux 内核,2,提纲,1. ARM系统结构简介 2. ARM-Linux内存管理 3. ARM-Linux 的中断响应和处理 4. ARM-Linux系统调用 5. 系统的启动和初始化 6. ARM-Linux进程管理和调度 7. Linux的模块机制,3,1. ARM系统结构简介,ARM有7种运行状态: 用户状态（User） 中断状态（IRQ, Imterrupt Request） (0x18) 快中断状态（FIQ,Fast Imterrupt Request）(0x1c) 监管状态（Supervisor） 终止状态（Abort） 无定义状态（Undefined） 系统状态（
2、System）,4,ARM系统结构中各个寄存器的使用方式,5,2 ARM-Linux内存管理,存储管理是一个很大的范畴 地址映射、空间分配、保护机制 存储管理机制的实现和具体的CPU以及MMU的结构关系非常紧密 操作系统内核的复杂性相当程度上来自内存管理，对整个系统的结构有着根本性的深远影响,6,2.1内存管理和MMU,MMU，也就是“内存管理单元”，其主要作用是两个方面： 地址映射 对地址访问的保护和限制 MMU就是提供一组寄存器 MMU可以做在芯片中，也可以作为协处理器 ARM中的CP15,7,2.2 冯诺依曼结构和哈佛结构,冯诺依曼结构：程序只是一种数据，对程序也可以像对数据一样加以处理
3、，并且可以和数据存储在同一个存储器中 嵌入式系统中往往采用程序和数据两个存储器、两条总线的系统结构，称为“哈佛结构”,8,2.3 ARM存储管理机制,ARM系统结构中，地址映射可以是单层的按“段（section）”映射，也可以是二层的页面映射 采用单层的段映射的时候，内存中有个“段映射表” ，当CPU访问内存的时候： 其32位虚地址的高12位用作访问段映射表的下标，从表中找到相应的表项 每个表项提供一个12位的物理段地址，以及对这个段的访问许可标志，将这12位物理段地址和虚拟地址中的低20位拼接在一起，就得到了32位的物理地址,9,如果采用页面映射，“段映射表”就成了“首层页面映射表”，映射的
4、过程如下(以页面大小4KB为例)： 以32位虚地址的高12位（bit20-bit31）作为访问首层映射表的下标，从表中找到相应的表项，每个表项指向一个二层映射表。 以虚拟地址中的次8位（bit12-bit19）作为访问所得二层映射表的下标，进一步从相应表项中取得20位的物理页面地址。 最后，将20位的物理页面地址和虚拟地址中的最低12位拼接在一起，就得到了32位的物理地址。,10,凡是支持虚存的CPU必须为有关的映射表提供高速缓存，使地址映射的过程在不访问内存的前提下完成，用于这个目的高速缓存称为TLB 高速缓存 (I/O的特殊性) ARM系统结构中配备了两个地址映射TLB和两个高速缓存,11
5、,ARM处理器中，MMU是作为协处理器CP15的一部分实现的 MMU相关的最主要的寄存器有三个： 控制寄存器，控制MMU的开关、高速缓存的开关、写缓冲区的开关等 地址转换表基地址寄存器 域访问控制寄存器,12,控制寄存器中有S位（表示System）和R位（表示ROM），用于决定了CPU在当前运行状态下对目标段或者页面的访问权限，如果段或者页面映射表项中的2位的“访问权限” AP为00，那么S位和R位所起的作用如表,13,如果AP为01，则和S位R位无关，特权状态可读可写，用户状态不能访问。 如果AP为10，则和S位R位无关，特权状态可读可写，用户状态只读。 如果AP为11，则和S位R位无关，特
6、权状态、用户状态都可读可写。,14,2.4 ARM-Linux存储机制的建立,ARM-Linux内核也将这4GB虚拟地址空间分为两个部分 ，系统空间和用户空间 ARM将I/O也放在内存地址空间中，所以系统空间的一部分虚拟地址不是映射到物理内存，而是映射到一些I/O设备的地址,15,16,Xsbase255开发系统存储管理的描述数据结构：,17,ARM处理器上的实现和x86的既相似又有很多不同： 在ARM处理器上，如果整个段（1MB，并且和1MB边界对齐）都有映射，就采用单层映射；而在x86上总是采用二层映射 ARM处理器上所谓的“段（section）”是固定长度的，实质上就是超大型的页面；而x
7、86上的“段（segment）”则是不定长的 Linux在启动初始化的时候依次调用：start_kernel()setup_arch()pageing_init()memtable_init()create_mapping(),18,2.5 ARM-Linux进程的虚存空间,Linux虚拟内存的实现需要6种机制的支持： 地址映射机制 内存分配回收机制 缓存和刷新机制 请求页机制 交换机制 内存共享机制,19,系统中的每个进程都各有自己的首层映射表，这就是它的空间，没有独立的空间的就只是线程而不是进程 Linux内核需要管理所有的虚拟内存地址，每个进程虚拟内存中的内容在其task_struct结
8、构中指向的 vm_area_struct结构中描叙,20,task_struct结构分析图 :,21,由于那些虚拟内存区域来源各不相同，Linux使用vm_area_struct中指向一组虚拟内存处理过程的指针来抽象此接口 为进程创建新的虚拟内存区域或处理页面不在物理内存中的情况下，Linux内核重复使用进程的vm_area_struct数据结构集合。采用AVL树来减少查找时间。 当进程请求分配虚拟内存时，Linux并不直接分配物理内存,22,3 ARM-Linux 的中断响应和处理,中断是一个流程，一般来说要经过三个环节： 中断响应 中断处理 中断返回 中断响应是第一个环节，主要是确定中断源
9、，在整个中断机制中起着枢纽的作用,23,使CPU在响应中断的时候能迅速的确定中断源，且尽量减少引脚数量，辅助手段主要有下列几种： 中断源通过数据总线提供一个代表具体设备的数值，称为“中断向量” 在外部提供一个“集线器”，称为“中断控制器” 将中断控制器集成在CPU芯片中，但是设法“挪用”或“复制”原有的若干引线，而并不实际增加引线的数量,24,ARM是将中断控制器集成在CPU内部的，由外设产生的中断请求都由芯片上的中断控制器汇总成一个IRQ中断请求 中断控制器还向CPU提供一个中断请求寄存器和一个中断控制寄存器 GPIO是一个通用的可编程的I/O接口，其接口寄存器中的每一位都可以分别在程序的控
10、制下设置用于输入或者输出,25,ARM Linux将中断源分为三组： 第一组是针对外部中断源； 第二组中是针对内部中断源，它们都来自集成在芯片内部的外围设备和控制器，比如LCD控制器、串行口、DMA控制器等等。 第三组中断源使用的是一个两层结构。,26,在Linux中，每一个中断控制器都由strcut hw_interrut_type数据结构表示：,27,每一个中断请求线都有一个struct irqdesc 数据结构表示：,28,具体中断处理程序则在数据结构 struct irqaction 三个数据结构的相互关系如图 ：,irq_descNR_IRQS,29,ARM Linux的中断初始化。
11、 在ARM Linux存储管理中，内核中DRAM区间的虚拟地址和物理地址是相同的。系统加电引导以后，CPU进入内核的总入口，即代码段的起点stext，CPU首先从自身读出CPU的型号以及其所在的开发板，把有关的信息保存在全局变量中； 然后就转入start_kernel()函数进行初始化； 接着是执行函数trap_init（） 这个函数做的第一件事是将下列指令搬运到虚拟地址0处：,30,第二件事是搬运底层中断响应程序的代码（如下所示）到0x200处 ：,31,trap_init()函数执行完了以后，再执行init_IRQ()。通过函数init_IRQ()建立上面提及的3个数据结构及其相互联系的框
12、架。,32,在进入中断响应之前，CPU自动完成下列操作： 将进入中断响应前的内容装入r14_irq，即中断模式的lr，使其指向中断点。 将cpsr原来的内容装入spsr_irq，即中断模式的spsr；同时改变cpsr的内容使CPU运行于中断模式，并关闭中断。 将堆栈指针sp切换成中断模式的sp_irq。 将pc指向0x18。,33,中断流程图：,34,4 ARM-Linux系统调用,LIBC和直接调用 X86有INT 0x80 arm处理器有自陷指令SWI cpu遇到自陷指令后，跳转到内核态 操作系统首先保存当前运行的信息，然后根据系统调用号查找相应的函数去执行 执行完了以后恢复原先保存的运行
13、信息返回,35,实验一创建和使用一个新的系统调用(1),在 arch/arm/kernel/目录下创建一个新的文件mysyscall.c 在 arch/arm/kernel/call.S 中添加新的系统调用，新的系统调用号0x900000+226,36,实验一创建和使用一个新的系统调用(2),修改arch/arm/kernel/目录下的Makefile文件，在obj-y后面添加mysyscall.o,37,实验一创建和使用一个新的系统调用(3),写一个测试程序来使用新的系统调用：,38,实验一创建和使用一个新的系统调用(4),然后执行 启动开发板，将应用程序test通过zmodem协议下载到开
14、发板的文件系统目录下，在板子上运行test程序所得结果如下： 注意，上面的例子是直接用汇编使用系统调用的，而不是使用libc，因为test应用程序使用的是新添加的系统调用，而libc中并没有，所以只能直接用汇编。,39,思考： 如何增加一个带参数的系统调用？,40,5. 系统的启动和初始化,使用bootloader将内核映像载入 内核数据结构初始化（内核引导第一部分） ： start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成kernel本身的设置 调用init()过程，创建第一个内核线程。,41,Start_kernel(): 输出Linux版本信息（printk(linux_bann
15、er)） 设置与体系结构相关的环境（setup_arch()） 页表结构初始化（paging_init()） 设置系统自陷入口（trap_init()） 初始化系统IRQ（init_IRQ()） 核心进程调度器初始化（包括初始化几个缺省的Bottom-half，sched_init()） 时间、定时器初始化（包括读取CMOS时钟、估测主频、初始化定时器中断等，time_init()） 提取并分析核心启动参数（从环境变量中读取参数，设置相应标志位等待处理，（parse_options()） 控制台初始化（为输出信息而先于PCI初始化，console_init()） 剖析器数据结构初始化（prof
16、_buffer和prof_len变量） 核心Cache初始化（描述Cache信息的Cache，kmem_cache_init()） 延迟校准（获得时钟jiffies与CPU主频ticks的延迟，calibrate_delay()）,42,内存初始化（设置内存上下界和页表项初始值，mem_init()） 创建和设置内部及通用cache（“slab_cache“，kmem_cache_sizes_init()） 创建uid taskcount SLAB cache（“uid_cache“，uidcache_init()） 创建文件cache（“files_cache“，filescache_ini
17、t()） 创建目录cache（“dentry_cache“，dcache_init()） 创建与虚存相关的cache（“vm_area_struct“，“mm_struct“，vma_init()） 块设备读写缓冲区初始化（同时创建“buffer_head“cache用户加速访问，buffer_init()） 创建页cache（内存页hash表初始化，page_cache_init()） 创建信号队列cache（“signal_queue“，signals_init()） 初始化内存inode表（inode_init()） 创建内存文件描述符表（“filp_cache“，file_table_
18、init()） SMP机器其余CPU（除当前引导CPU）初始化（对于没有配置SMP的内核，此函数为空，smp_init()） 启动init过程（创建第一个核心线程，调用init()函数，原执行序列调用cpu_idle() 等待调度，init()） 至此start_kernel()结束，基本的核心环境已经建立起来了。,43,外设初始化-内核引导第二部分： init()函数作为内核线程，首先锁定内核，然后调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化 do_basic_setup()返回后，init()使用execve()系统调用加载执行init程序。,44,Do_basi
19、c_setup(): 总线初始化（比如pci_init()） 网络初始化（初始化网络数据结构，包括sk_init()、skb_init()和proto_init()三部分，在proto_init()中，将调用protocols结构中包含的所有协议的初始化过程，sock_init()） 创建bdflush核心线程（bdflush()过程常驻核心空间，由核心唤醒来清理被写过的内存缓冲区，当bdflush()由kernel_thread()启动后，它将自己命名为kflushd） 创建kupdate核心线程（kupdate()过程常驻核心空间，由核心按时调度执行，将内存缓冲区中的信息更新到磁盘中，更新
20、的内容包括超级块和inode表） 设置并启动核心调页线程kswapd（为了防止kswapd启动时将版本信息输出到其他信息中间，核心线调用kswapd_setup()设置kswapd运行所要求的环境，然后再创建 kswapd核心线程）,45,创建事件管理核心线程（start_context_thread()函数启动context_thread()过程，并重命名为keventd） 设备初始化（包括并口parport_init()、字符设备chr_dev_init()、块设备 blk_dev_init()、SCSI设备scsi_dev_init()、网络设备net_dev_init()、磁盘初始化及
21、分区检查等等，device_setup()） 执行文件格式设置（binfmt_setup()） 启动任何使用_initcall标识的函数（方便核心开发者添加启动函数，do_initcalls()） 文件系统初始化（filesystem_setup()） 安装root文件系统（mount_root()） 加载INIT程序,46,init()函数到此结束，内核的引导部分也到此结束了，这个由start_kernel()创建的第一个线程已经成为一个用户模式下的进程了。此时系统中存在着六个运行实体： start_kernel()本身所在的执行体，这其实是一个“手工“创建的线程，它在创建了init()线程
22、以后就进入cpu_idle()循环了，它不会在进程（线程）列表中出现 init线程，由start_kernel()创建，当前处于用户态，加载了init程序 kflushd核心线程，由init线程创建，在核心态运行bdflush()函数 kupdate核心线程，由init线程创建，在核心态运行kupdate()函数 kswapd核心线程，由init线程创建，在核心态运行kswapd()函数 keventd核心线程，由init线程创建，在核心态运行context_thread()函数,47,init进程和inittab脚本 init进程是系统所有进程的起点，它的进程号是1 init进程到底是什么可
23、以通过内核参数“init=XXX”设置 通常，init进程是在根目录下的linuxrc脚本文件。,48,49,/sbin/init程序需要读取/etc/inittab文件。 inittab是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每一个指令行都具有以下格式：,50,rc启动脚本：rc.sysinit中最常见的动作就是激活交换分区，检查磁盘，加载硬件模块 Shell的启动,51,6 ARM-Linux进程管理和调度,Linux进程有5种状态，分别是： TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_UNINTERRUPTIBLE TASK_ZOMBIE TASK_STOPP
24、ED,52,6.1 Linux进程的创建、执行和消亡,1. Linux进程的创建 系统的第一个真正的进程，init内核线程（或进程）的标志符为1 新进程通过克隆老进程或当前进程来创建,系统调用fork或clone可以创建新任务 复制完成后，Linux允许两个进程共享资源而不是复制各自的拷贝,53,2. Linux进程的执行 要让若干新进程按照需要处理不同的事情，就必须通过系统调用exec 函数sys_execve将可执行文件的名字从用户空间取入内核空间以后就调用do_execve( )执行具体的操作,54,do_execve( )执行的流程： 打开可执行文件,获取该文件的 file结构。 获取
25、参数区长度,将存放参数的页面清零。 对linux_binprm结构的其它项作初始化 通过对参数和环境个数的计算来检查是否在这方面有错误 调用prepare_binprm() 对数据结构linux_binprm作进一步准备 把一些参数(文件名、环境变量、文件参数)从用户空间复制到内核空间 调用search_binary_handler()，搜寻目标文件的处理模块并执行,55,3. Linux进程的消亡 进程终止由可终止进程的系统调用通过调用do_exit（）实现 do_exit(long code)带一个参数code，用于传递终止进程的原因,56,以下情况要调用do_exit()函数： 具体对应
26、的系统调用出错，不得不终止进程 ，如： do_page_fault（） sys_sigreturn（） setup_frame（） save_v86_state（） 其他终止进程的情况，通过调用以下函数实现终止：sys_exit（） sys_reboot() do_signal（）,57,LINUX系统进程的切换包括三个层次: 用户数据的保存： 正文段、数据段、栈段、共享内存段 寄存器数据的保存 PC、PSW、SP、PCBP、FP 系统层次的保存 proc、u、虚拟存储空间管理表格、中断处理栈,58,6.2 ARM-Linux进程的调度,Linux进程调度由函数schedule()实现的，其基
27、本流程可以概括为五步： 清理当前运行中的进程 选择下一个投入运行的进程 设置新进程的运行环境 执行进程上下文切换 后期整理 Linux调度的时机有两种： 在内核应用中直接调用schedule() 被动调用schedule(),59,7. Linux的模块机制,Linux中的可加载模块(Module)是 Linux内核支持的动态可加载模块 Insmod rmmod Linux module载入内核后，它就成为内核代码的一部分 若某个module空闲，用户便可将它卸载出内核,60,与module相关的命令有： lsmod 把现在 kernel 中已经安装的modules 列出来 insmod 把某
28、个 module 安装到 kernel 中 rmmod 把某个没在用的 module 从kernel中卸载 depmod 制造 module dependency file，以告诉将来的 insmod 要去哪儿找modules 来安装,61,module 相关的数据结构主要有 ： module的声明如下：,62,symbol_table的声明如下：,63,和module相关的系统调用有：,64,7.1 Module的使用,Module的装入有两种方法 ： 通过insmod命令手工将module载入内核 根据需要载入module(demand loaded module) 卸载module有两种
29、方法 用户使用rmmod命令卸载module kerneld自动卸载,65,2.4系列内核的insmod工作的主要流程是： insmod先调用系统调用sys_get_kernel_syms，将当前加到系统中的模块和内核的符号表全部输出到kernel_sym结构中，为后面使用。 将Mymodule目标文件读进insmod用户进程空间，成为一个映像。 根据第一步得到的信息，将Mymodule映像中的地址没有确定的函数和变量一一修正过来。 调用系统调用sys_create_module、sys_init_module，将Mymodule链入到系统中去,66,实验二 Linux2.6内核移植,2.4.
30、18内核、2.6内核和LynuxOS 4.0在最好情况、平均情况下和最坏情况下任务的响应时间比较：,67,实验二 Linux2.6内核移植（1）,Linux内核移植大致可以归纳成以下几个步骤： 准备工作，下载Linux2.6内核源代码和编译器源代码等 建立交叉编译环境 制作Boot Loader 修改和编译内核 制作文件系统 编写相应的设备驱动 编写应用程序,68,实验二 Linux2.6内核移植（2）,1.准备工作 下载Linux2.6.10内核源代码，可以到ftp:/ftp.kernel.org 下载 ARM Linux是基于标准Linux内核为ARM做的补丁，可以在 ftp:/ftp.a
31、rm.linux.org.uk上下载,69,实验二 Linux2.6内核移植（3）,2.编译交叉编译工具 编译linux2.6内核需要gcc3.2以上的版本 ，在这次实验中在主机平台上编译arm-linux-gcc3.4.2 修改t-linux文件，在TARGET_LIBGCC2_CFLAGS加上-D_gthr_posix_h和-Dinhibit_libc 编译安装,70,实验二 Linux2.6内核移植（4）,3.配置Linux2.6.10内核 首先修改Makefile，把里面的 SUBARCH :=(shell uname m | sed e s/i.86/i386/ -es/sun4u/
32、sparc64/ -e s/arm. */arm/ -e s/sa110/arm/)这一行去掉，改成SUBARCH : =arm 修改编译器选项:CROSS_COMPILE =arm-linux-,71,实验二 Linux2.6内核移植（5）,4.编译内核 使用make menuconfig配置内核 在SYSTEM TYPE目录中选择正确的CPU ，在Intel Imlementations选项中选择Intel DBPXA25X Development Platform。,72,在Character Devices下的选上PXA Serial Port Support选项 在General Setup下的Default Kernel command string选项中填入正确的串口名字ttyS0或ttyS1和波特率115200,73,实验二 Linux2.6内核移植（6）,使用make zImage命令来编译内核，编译好的二进制的文件zImage在/linux-2.6.10/arch/arm/boot下 把zImage拷贝到/tftpboot目录下，并下载到Xsbase255板子中运行 这时应该可以在minicom中看到有系统启动信息输出,74,可以看到Linux2.6内核在XSBase255开发系统跑起来：,