ARMLinux内核.ppt
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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)(0 x18)快中断状态(FIQ,Fast Imterrupt Request)(0 x1c)监管状态(Supervisor)终止状态(Abort)无定义状态(Undefined)系统状态(System),4,ARM系统结
2、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,并且可以和数据存储在同一个存储器中 嵌
3、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”,映射的过程如下(以页面大小4KB为例):以32位虚
4、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,ARM处理器中,MMU是作为协处理器CP15的一部分实
5、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,特权状态、用户状态都可读可写。,14,2.4 ARM-Linux存储
6、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x86上的“段(segment)”则是不定长的Linux在启动初始化的时
7、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结构中指向的 vm_area_struct结构中描叙,20,task_struct结构
8、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,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
9、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
10、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。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
11、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0 x200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
12、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0 x18。,33,中断流程图:,34,4 ARM-Linux系统调用,LIBC和直接调用X86有INT 0 x80arm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
13、.c 在 arch/arm/kernel/call.S 中添加新的系统调用,新的系统调用号0 x900000+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t
14、est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_banner))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(
15、))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_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
16、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_init())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())
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