《嵌入式Linux系统》课件

嵌入式系统Linux嵌入式系统概述定义应用领域嵌入式系统是专门为特定应用而嵌入式系统广泛应用于各个领域设计的计算机系统，它通常具有，例如消费电子、工业自动化、小型化、低功耗、高可靠性等特医疗设备、汽车电子等点特点嵌入式系统通常具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高、实时性强等特点内核简介Linux内核是操作系统的核心，负责管理硬件资源并提供系统服务它是一Linux个开源的操作系统内核，被广泛应用于嵌入式设备、服务器和个人电脑等领域内核拥有丰富的特性，包括文件系统、网络协议栈、进程管理、内存Linux管理和设备驱动程序等它具有高度可移植性和可定制性，可以适应不同的硬件平台内核体系结构Linux内核核心1提供系统核心功能系统调用接口2用户空间与内核交互进程管理3调度和管理进程内存管理4分配和管理内存资源内核启动过程Linux引导加载器1加载内核映像内核初始化2设置硬件环境文件系统挂载3访问存储设备用户空间启动4运行系统程序文件系统结构Linux根目录/二进制目录/bin用户目录/usr系统配置文件目录/etc文件系统树的顶层目录，包含存放基本命令的目录，如ls、存放用户应用程序、库文件和所有其他目录和文件cp、mv等文档等存放系统配置信息，如网络配置、用户账号等设备驱动程序Linux键盘驱动鼠标驱动网络驱动磁盘驱动处理键盘输入，将按键转换为跟踪鼠标移动，识别点击和滚管理网络接口卡，发送和接收控制磁盘读取和写入操作，管字符轮操作数据包理文件系统进程管理Linux进程创建1系统调用创建新的进程，复制父进程的地址空间fork和资源进程调度2内核根据优先级、资源占用等因素选择下一个执行的进程进程通信3进程间通过管道、消息队列、共享内存等方式进行数据交换进程同步4使用信号量、互斥锁、条件变量等机制确保多个进程对共享资源的访问安全进程终止5进程通过系统调用主动退出或被其他进程终止exit内存管理Linux虚拟内存Linux通过虚拟内存技术，将物理内存扩展到磁盘空间，允许程序使用超过物理内存容量的内存内存分配Linux使用页框管理系统，将内存划分为大小相同的页框，并提供各种内存分配器，例如slab分配器和伙伴系统内存回收当内存使用量增加时，Linux通过页面置换算法（如LRU）将不活跃的页面换出到磁盘，回收内存空间内存保护Linux通过硬件机制和软件机制，确保进程之间不会相互干扰，并防止恶意程序访问其他进程的内存空间模块化设计Linux可扩展性灵活性和定制化12模块化设计使Linux内核能够通过加载或卸载模块，用户可轻松地添加或移除功能，以满以根据实际情况选择合适的内足不同应用需求核功能，实现定制化的系统配置代码组织和维护3模块化设计将内核代码分割成独立的模块，简化了代码组织和维护，提高了代码的可读性和可维护性电源管理Linux节能策略休眠状态电源管理框架降低功耗，延长设备使用时间将系统状态保存到磁盘，降低能耗管理电源状态，控制硬件设备实时性Linux实时性要求Linux实时扩展实时应用嵌入式系统通常需要对外部事件做出快Linux内核提供实时扩展，如实时调度器实时扩展使Linux能够运行各种实时应用速响应，满足实时性要求，如控制机器、实时补丁，以提高系统响应能力，例如工业自动化、医疗设备等人运动、处理音频流等网络协议栈LinuxTCP/IP模型网络接口层网络协议层网络协议栈的核心，定义了网络通信的基负责数据包的物理传输，例如以太网驱动处理网络协议，如TCP、UDP、IP等本规则移植和定制Linux硬件平台分析1识别目标硬件平台的特性，包括处理器架构、内存类型、外设接口等内核配置2根据硬件平台和应用需求，配置内核选项，选择必要的驱动程序和功能模块交叉编译3使用交叉编译器在宿主机上编译内核和应用程序，生成目Linux标平台可执行文件引导加载程序移植4移植引导加载程序，引导内核启动，并将控制权传递给内核文件系统构建5创建根文件系统，包含基本命令、库文件和应用程序，供内核启动时加载系统测试和调试6对移植后的系统进行测试和调试，确保系统稳定运行并满足应用需求内核移植实践Linux目标平台选择1选择合适的硬件平台，包括、内存、外设等CPU交叉编译工具链2搭建交叉编译环境，编译内核和应用程序内核配置3根据目标平台特性和需求配置内核选项内核编译4使用交叉编译工具链编译内核代码内核引导加载5将编译后的内核镜像加载到目标平台并启动内核源码剖析Linux深入理解内核的运作机制需要对内核源码进行深入研究Linux通过阅读内核源码，可以了解内核的设计理念、实现细节以及各种功能模块的相互作用例如，可以分析进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等核心模块的实现，并尝试理解它们是如何工作的此外，还可以通过调试和分析内核代码，定位和解决内核中的问题，并进行性能优化内核调试技术Linux打印调试信息断点调试12使用printk函数将调试信息设置断点，让内核在特定位置打印到内核日志，方便查看系暂停执行，便于观察程序执行统运行状态流程内核调试器3使用、等内核调试器，提供更强大的调试功能，例如代码kgdb kdb跟踪、变量查看等内核性能优化Linux缓存优化中断优化提高缓存命中率，减少磁盘访问减少中断处理时间，提高系统响次数应速度调度优化内存管理优化优化进程调度策略，提高系统吞优化内存分配和回收机制，提高吐量和响应时间内存利用率应用程序开发Linux构建应用程序，实现各种功能，例如利用Linux提供的丰富API和库，简图形用户界面、网络通信、多媒体处化开发过程，提高效率理等针对嵌入式设备特点，进行代码优化，提升应用程序性能应用开发工具Linux编译器调试器是一个GCC GNUCompiler GDBGNU DebuggerCollection是Linux下最常用功能强大的调试器，允许开发者的编译器套件，支持多种编程语在代码执行过程中逐步跟踪代码言，例如C、C++、汇编等，查看变量值，设置断点等构建系统IDE和是常用的构建、和Make CMakeCode::Blocks EclipseQt系统，它们能够自动管理项目的Creator等IDE为开发者提供编译和链接过程，简化开发流程了友好的图形界面，集成了代码编辑、编译、调试、代码分析等功能应用程序案例分析Linux我们将分析几个真实的应用程序案例，例如嵌入式设备上的用户界面、Linux物联网数据采集系统、工业控制系统等这些案例将帮助你更好地理解Linux应用程序的开发流程和关键技术硬件接口设计Linux硬件抽象层设备驱动程序总线与总线驱动Linux内核中的硬件抽象层（HAL）提驱动程序负责控制特定硬件设备，并与总线是连接多个设备的硬件组件，总线供了与底层硬件的接口，屏蔽了硬件细内核进行交互驱动管理总线上的设备节总线与总线驱动Linux总线类型总线驱动PCI、USB、I2C、SPI等负责管理总线上的设备设备驱动负责控制特定设备图形界面开发Linux图形界面开发通常涉及到使用图形库，例如、和Linux QtGTK+这些库提供了丰富的工具和组件，可以用于构建各种类型X11的应用程序界面开发人员需要熟悉图形库的，并使用相应的编程语言（例如API、）进行开发此外，还需要掌握相关工具，例如C++Python编译器、调试器和图形编辑器多媒体子系统Linux音频视频音频子系统支持各种音频格式视频子系统支持各种视频格式和设备，例如、和设备，例如、ALSA V4L2和和PulseAudio JACKGStreamer FFmpeg图形图形子系统支持各种图形库和框架，例如、和X11Wayland Qt中的时间管理Linux系统时钟时间管理时间同步维护一个系统时钟，它记录自系统提供各种时间管理机制，包括时间可以与网络时间服务器同步时间，Linux LinuxLinux启动以来的时间系统时钟由硬件计时器函数、计时器、定时器和时钟源管理确保系统时钟的准确性驱动，并且可以进行调整设备树管理Linux设备树描述配置硬件设备树是一个树状结构，用来描述硬设备树可以用来配置硬件，例如内存件平台的配置和设备信息大小、CPU频率等驱动程序开发设备树可以简化驱动程序开发，使得驱动程序更加通用内核版本演变Linux

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0.0年，全新内核架构年，完善安全和性能

200320114.

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0.0年，增强功能和稳定性年，支持更多硬件20132019发行版选择和安装Linux发行版选择安装过程选择适合自己需求的Linux发行版，例如嵌入式开发、服务器部根据所选发行版，使用相应的安装工具进行安装，例如使用图形署、桌面应用等化安装程序或命令行安装工具•Debian•下载镜像•Ubuntu•创建可启动介质•Fedora•启动安装程序•CentOS•配置系统•OpenSUSE系统安全防护Linux访问控制安全更新限制用户对系统资源的访问权限定期更新系统软件和补丁，修复，防止未经授权的访问漏洞，提高系统安全性防火墙入侵检测阻止来自外部网络的恶意流量，监控系统活动，识别潜在的攻击保护系统免受攻击，并采取相应的措施嵌入式未来发展Linux嵌入式系统正在不断发展，未来将更加强大和智能物联网的快速发展Linux将推动嵌入式系统的应用范围不断扩大Linux。