嵌入式Linux内核配置与文件系统的优化方法研究.pdf

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1、分类号U D C 中南大学Y9 9 2 5 4 0密级编号C E N T RA I S o U T HU N I、砸R S I T Y硕士学位论文论文题目：垒全煎坠i 坐坚鱼盐坠量鱼盘堡壅毽鱼丝丝壶盘亟盍学科专业：盟差扭廛旦挂鲞研究生姓名：姻溘导师姓名及专业技术职务：塑盔型煞撞摘要随着计算机技术的发展，计算应用的模型也发生了重大改变。作为一种新的载体嵌入式系统应运而生。嵌入式系统研究的一个热点和难点问题是嵌入式操作系统。为了满足专业领域的要求，嵌入式操作系统有不同于通用操作系统的特点。本文通过对L i n u x 的内核结构的深入分析，了解了内核中各模块间的功能和联系；并根据嵌入式系统的特点，

2、提出L i n u x 内核裁剪的思想。针对内核的配置和重建，介绍了L i n u x 内核裁剪的具体步骤，详细阐述了每个步骤的工作目标和应注意的内容。本文针对E x t 2 文件系统源代码研究，分析了E x t 2 文件系统数据块分配以及数据块预分配的理论思想，并提出了其应用于嵌入式系统的不足之处，从而迸一步提出了取消数据块预分配机制的优化方法和实现方案，最终达到节省系统开销的目的，是E x t 2 文件系统能更好的应用于嵌入式系统中。同时，为了提高应用于嵌入式系统中的E x t 2 文件系统的读写效率，本文针对E x t 2 文件的索引查找算法二分查找法进行研究，分析二分查找法的优缺点，提

3、出采用B+树结构优化文件系统索引结构的实现方案，并对其优化后的性能进行了综合分析。关键字嵌入式L i n u x，内核，数据块预分配，文件系统，B+树A B S T R A C TW i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y,t h e r eh a v eg r e a tc h a n g e si nt h ec o m p u t i n gm o d e A san e wt y p eo fc o m p m e，t h ee m b e d d e ds y s t e ma p

4、p e a r s T h ee m b e d d e ds y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ea n dS O f t,W a r e，w h i c hc o m b i n ec l o s e l yt oa p p l yt oc e r t a i ns p e c i a la p p l i c a t i o nf i e l d s O n eo ft h eh o t t e s ta n dh a r d e s tr e s e a r c hp r o b l e m si ne m b e d d e ds y

5、s t e mi st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m T om e e tt h es p e c i a ld e m a n d so fa p p l i c a t i o n s，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m sa r ed i f f e r e n tf x o mg e n e r a lo p e r a t i o ns y s t e m，l l e t h e ro rn o ta ne m b e d d e dO Si Sc o n s i d

6、e r e das u c c e s s f u lo n el i e si nt h a tt ow h a te x t e n tt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ea r ed e l i b e r a t e l ys o l v e d T h et h e s i si Sc o m eu pw i t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o s p e c to fe m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e

7、do p e r a t i o ns y s t e m A n dIb r o u g h to u tt h ed i r e c t o r ya n dp l a no fm yp r o j e c t A st h es a m et i m e，i td e s c r i p t st h es t r u c t u r eo ft h eL i n u x k e r n e l，a n dt h ef u n c t i o no ft h em o d u l e si nt h ek e r n e la sw e l l B a s i n go nt h ec

8、h a r a c t e r so ft h ee m b e d d e ds y s t e m，Ib r i n gf o r t ht h ei d e aa b o u tr e b u i l d i n gt h eL i n u x k e r n e l S omt h et h e s i s，Ih a v ei n t r o d u c e dh o wt or e b u i l dt h ek e r n e l I tl i s t so u te v e r yd e t a i l e ds t e po ft h er e b u i l d i n ga

9、 n dt h eg o a lo fe v e r ys t e p I te m p h a s i z eo nt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ek e r n e l，a sw e l la S，t h es e t t m gu po ft h er o o tf i l es y s t e ma n db o o t l o a d e ro f L i n u x I ta n a l y z e so ft h ef i l es y s t e mo fL i n u x B a S eO nt h ea n a l y s i s

10、o ft h es o u r c ec o d eo ft h eE x t 2f i l es y s t e m，i tp u te y e so nt h ef u n c t i o na n dm e c h a n i s mo ft h ef i l es y s t e m I no r d e rt om i n i m i z et h ec o n s u m p t i o n，t h ei d e ao f o p t i m i z i n gt h ef i l es y s t e mi sp u tf o r w a r di st h et h e s i

11、 s I no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f 删f o rt h eE x t 2f i l es y s t e m，Ic o m p a r et h ea l g o r i t h mo ft h ei n d e xi nE x t 2f i l es y s t e mw i t hB+t r e e a n dp u tf o r w a r dt h ei d e ao fo p t i m i z i n gt h eE x t 2f i l es y s t e mb yu s i n gt h ea

12、l g o r i t h mo f B+t r e e K E Y W O R DE m b e d d e d-L i n u x，k e r n e l，f i l es y s t e m，p r e-a l l o c a t i o n，B+仃e eI l原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：关于学位论文使用

13、授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者躲衅新签泓期：赵年心卫日硕士学位论文第一章绪论1 1 矫究鹜景第一章绻论诞蔓l 嵌入式系统这个名字，霹筏还有一部分天瓣它凌较模耧，毽蹙说到手撬、掌上电脑，我想绝大部分人都不会陌生。是的，嵌入式系统融经悄然的出现在人韶鹃学习、互俸潋至于嚣鬻生活豹每一令角落。随鏊数字嚣惑技拳秘怒络技寒静高速发展，现在的I T 也已缀相当发达了。可以认为：计算机无所芥在，它渗透裂我

14、靛工棒察生活浆方方西嚣。讴是绝大多数计算辍是以转谤算辊魏形式基瑗的。这些设备的核心部分都有计算机，大多是以嵌入式系统的形式存在，而不是荻整辍弱形蒙譬现在太囊暇嚣。嵌入式系统已经广泛建应魏裂科学舔窕、工程设计、军事技术、商业文化蕊术、娱乐业以及人们的目常生活锌方方璇面。随着国内外嵌入式产品(鳃车载电藏，瓿溪鑫等)媳进一步开发嬲推广，焱入式技本越来越和人们的生活紧密相关。我们能够想鬏有人可能觚来没有接触逍计算梳，但甭能想象饮从来没夺接触过嵌入式系统。从家庭的洗衣规，孚枧，数码相桃，小汽率，到办公室里的远程会议系统簿，这些都属于可戳使用嵌入式技术进襻歼发和改造的产晶。1 1 1 嵌入戏系统的定义借用

15、电气工程师协会(I E E E)的一个定义n 1：嵌入式系统是用涞控制或般视税器、装嚣壤工厂簿斡大甄模系统翡凌釜。广义她浇，囊入式系统是奄越软 孛与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计辣机技术为基础，软硬件可裁剪，从而笺够适应突藩瘦麓申黯功能、霹奏链、残本、髂积、礁耗等严格要求熬专孀诗算机。1 1 2 嵌入贰系统酌特点嵌入式系统蠢淡下特杰；1 嵌入式系统理所当然是种计算机产品，它是一种将先进的计算机技术、半导蓓按零浚及患予按术与各个行遭弱具侮应爱稿续会懿产耪1 2 3 t；2 嵌入式系统都具谢低功耗、体积小、集成腱高等特点。嵌入式系统通常是麓鑫焉户，垂两产鑫，蔼彝特定矗爱豹；3 嵌入式系统具有

16、较长的生命周期。嵌入式系统和舆体应用霄杌地绪台在硕士学位论文第一章绪论一起，其升级换代也是和具体产品同步进行。嵌入式处理器的发展体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间：4 嵌入式系统稳定性较高。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中，而且对应的软件一旦写入，通常情况下不会更改。5 嵌入式系统运算速度和存储容量有限。因为通常情况下，嵌入式系统的体积都比较小，也就是说硬件配置有限，这只能通过改良算法或者提高硬件配置来弥补。6 嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序

17、功能，也必须借助于一套开发工具和环境。1 1 3 嵌入式操作系统的定义与特点嵌入式操作系统1 4】顾名思义，是专用于嵌入式系统中的操作系统。但不是说所有的嵌入式系统都有对应嵌入式操作系统，除了是用于嵌入式系统上之外，还应该具有操作系统的特性能够完成进程管理、内存管理、进程通信等等功能；能由它来对整个嵌入式系统的硬件资源进行管理，并为用户提供易用的软件平台。由于嵌入式系统的自身特点，嵌入式操作系统又与一般操作系统有所区别：1 微型化：嵌入式操作系统的运行平台不是普通的计算机，而是嵌入式计算机。这类嵌入式信息装置中一般没有多少内存可用，外存也几乎是空白。因此嵌入式操作系统必须做的比较微小，以尽量少

18、占用系统资源；2 高质量、高可靠性：尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空问仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，要求操作系统及编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度；3 实时性：嵌入式系统广泛应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等要求迅速响应的场合，因此实时性成为嵌入式操作系统的又一特点。1 2 研究现状1 2 1 嵌入式L i n u x 的研究现状国内外各大机构对嵌入式L i n u x 系统的研究与开发已经持续了一段时间，并取得了相当多的成果。比如一些新型的公司L i n e o、T i m e S y

19、 s、F s m L a b s 等，他们2硕士学位论文第一章绪论利用自己掌握的将L i n u x 嵌入化的方法，吸引投资，开发出了成型的产品；也有一些传统的L i n u x 公司开辟了这方面的研究，如R e d H a t、V AL i n u x 等1 5】；更值得重视的是，一些传统的大公司如I B M、S G I、M o t o r o l a、I n t e l 等也进行了L i n u x的嵌入式方面的研究和开发；另外还有一些开发专有嵌入式操作系统的公司，如L y n x 公司等。这些公司的研究成果按研究的方向可以分为三大判6，7，8，针。第一类是专门研究L i n u x 的嵌

20、入式方向，即如何让L i n u x 更小、更容易嵌入到体积要求和功能、性能要求更高的硬件中：第二类是专门研究提高L i n u x 的实时特性，即将L i n u x开发成实时系统尤其是硬实时系统，应用于一些关键的控制场合(不仅仅是信息电器)；第三类则是将实时性和嵌入式方案结合起来，很多公司都沿着这个方向展开研究。国外对于嵌入式L i n u x 的研究如火如荼，国内的研究也不甘示弱。国家“8 6 3计划”重点支持项目中就有使用L i n u x 作为嵌入式系统开发的方向【9 J。共创软件联盟是嵌入式L i n u x 操作系统应用领域中不可忽视的一股力量，该联盟由国家，“8 6 3 计划”

21、智能计算机专家组牵头，联合国内数十家软件企业、科研机构和大专院校，目标产品是机顶盒和P D A。除此之外，中科红旗、中软、博利思等公司。矗也同样将嵌入式L i n u x 系统的研究与开发作为自己的主要发展方向之一。由于L i n u x 自身的优良特性及众多公司科研单位研究力量的投入，相信嵌入式L i n u x在不久的将来将成为嵌入式系统领域的一朵奇葩。oM o n t a V i s t a 公司的H a r dH a tL i n u x 是专门为将L i n u x 做成嵌入的系统而推出的。可以根据H a r dH a tL i n u x 为系统启动和运行环境做出合适于嵌入式硬件系

22、统环境的配置，以获得最好的性能和最小的体积。该产品的最大的特性就是提供了一个易用的交叉开发调试环境C D K(C m s s D e v e l o p m e n t K i t)I lo J，包括C C+的编译器、调试器、性能监控工具和网络工具。支持在x 8 6 P e n t i u m 处理器芯片上的R e dH a tL i n u x 上运行C D K 的P o w e r P C 版本，通过以太网或者串口线对目标系统上的嵌入式应用进行开发。这方面的其他成果还包括L i n e o 公司开发的E m b e d i x l l l】。E m b e d i x 的设计使用了模块化的

23、设计方案，方便剪裁系统，从而可以生成最合适需求的E m b e d i x内核，达到体积和功能的最优化。对于嵌入式L i n u x 实时性领域的研究，国内外也取得了一定的成果，R T-L i n u x I 挖1 是利用L i n u x 进行实时系统开发比较早的尝试，新墨西哥州大学计算机系的V i c t o rY o d a i k e n 和M i c h a e lB a r a n o v 在1 9 9 6 年就开始了对R T-L i n u x 的开发。R T-L i n u x 的原理是将L i n u x 的内核代码做一些修改，将L i n u x 本身的任务以及L i n

24、u x 内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任硕士学位论文第一薄绪论务，即在实时任务存在的情况下遮行实时任务，褥则才运行L i n u x 本身的任务。实时任务不因于L i n u x 酱遴进程，它是鞋L i n u x 鲍内核模块(L i n u x L o a d a b l e K e r n e lM o d u l e，L K M)的形式存在的。需爱运行实时任务的时候，将这个实时任务的内核模块插入至内孩中去。爽黠任务窝L i n u x 一般进程之闻鳃通馈逶过共享内存或者F I F O 通道(用L i n u x 虚拟字符设备)来实现。1 2 2 嵌入式L i

25、 n t L x 操律系统的优势和发畿麸2 0 整纪8 0 年代开始，蹬现了各耪各样的饔监瑶溆入式操作系统。这些操作系统大部分都是为专有系统而开发，从而形成了目前多种形式的商用嵌入式攥露系统百家争鸿瓣是瑟。翅V x W o r k s，p S O S，P a l m O S 秘W i n d o w sC E 簿【1 2 1。而嵌入式L i n u x 由于自身诸多优势逐渐成为嵌入式操作系统的新宠，吸引了众多嚣发亵窝瓣磁院掰懿注意力。所谓嵌入式L i n u x 系统，就是根据实际情况的需要对发行版的L i n u x 进行适兰戆裁减，褥裂一令夺鍪 系统，黢够圈亿在容量岁专袁霓万字节戏足卡亿字

26、节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用L i n u x 操作系统。嵌入式L i n u x 瓣舞发秘磅究是疆蔻操馋系统领域戆一令热点。与其缝豹焱入式搽痒系统相比，L i n u x 具有一些独特的优势：l。蓥先，L i n u x 系绞的源代弱是完全嚣放懿。在走核代码完众舞放黪蘸提下，不同领域和不同层次的用户可以根据应用需骚很容易地对内核进行改造，趁低成本的前提下，设计秘开发出真正满足需要黪嵌入式系统；2 强大的网络支持功能。L i n u x 诞生予因特嘲并具有U n i x 的特性，遮就保试了它支持所有标准医特潮协议，并且可以剽用L i n u x 的嘲络协议梭将其搿发成为

27、嵌入式的T C P 艚网络协议栈：3 L i n u x 具餐一整套工具链，容易是季亍建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用L i n u x 系统做原黧，可敬绕过这个障碍，赢接使磁内核调试器来儆操作系统的内棱调试和凌错：4 L i n u x 具有广泛的硬件支持特性。光论是R I S C 还怒C I S C、3 2 位还是6 4僚簿各种簸理器鼢|4 1，L i n u x 都能运行。L i n u x 最通常使用静镦处理器是I n t e lX 8 6芯片家族，但它同样能运行于M

28、 o t o r o l a 公司的6 8 K 系列C P U 和m M、A p p l e、M o t o r o l a 公司豹P o w e r P C C P U 戳及I n t e I 公弼酶S t r o n g A R M C P U 等处理器系统，这懑味着嵌入式L i n u x 将具有更广泛的应用前景。鑫蓠，嵌入式L i n u x 系统研究芷在蓬勃兴起，并且已经开辟了缀大翡市场，除了一些传统的L i n u x 公司，像R e d H a t、V AL i n u x 等正在从事嵌入式L i n u x 的4硕士学位论文第一章绪论研究之外，一批新公司(如L i n e o、

29、T i m e S y s 等)和一些传统的大公司(如I B M、S G I、M o t o r o l a、I n t e l 等)以及一些开发专有嵌入式操作系统的公司(如L y n x)也正在进行嵌入式L i n u x 的研究和开发。根据家专门进行嵌入式L i n u x 系统信息发布的网站h t t p：w w w L i n u x d e v i c e s c o I I l 的调查【1 5】，有5 2 的用户决定在未来2 4 个月内使用L i n u x 作为嵌入式系统的开发原型，而只有2 1 的人仍然使用专有操作系统，1 9 的人仍然使用W m d o w s 系列操作系统做

30、嵌入式系统开发。这充分说明了利用L i n u x 开发嵌入式系统的生命力。由于L i n u x 嵌入式系统的强大的生命力和利用价值，越来越多的公司和大学都不同程度地表现出对它的研究兴趣。1 2 3 嵌入式L i n u x 研究中存在的问题尽管有以上众多的研究机构取得了卓有成效的成果和产品，但就目前的技术面言，嵌入式L i n u x 的研究成果与市场的真正需求还有一段差距。因此，要开发出真正成熟的嵌入式L i n u x，还需要面对和解决以下几个问题：1 对L i n u x 内核的裁剪这是构建嵌入式L i n u x 的最基本的一步。由于不同的嵌入式系统功能也各不相同。就要求对内核作出

31、不同的模块裁剪，而内核的模块之问可能环环相扣，所以这一步必须做到精确。如何裁剪能使得操作系统更适应于嵌入式系统，如何裁剪才能更好的提高系统的性能，这是需要研究的问题。现在，对于同一种嵌入式产品，其操作系统以及操作系统中的模块仍然在不停变更，目的就是为了提高产品的性能。2 提高文件系统的性能文件系统对于一个操作系统而言是必不可少的，对于文件系统的研究也是日新月异。由于嵌入式系统的资源有限，如何在有限的资源里最大限度的发挥文件系统功能，是人们不断研究的课题；随着技术的提高，存储资源的扩大，文件系统有要做出什么样的改变才能更好、更有效的执行其功能是第二个问题。3 扩充L i n u x 的实时系统高

32、实时性是嵌入式操作系统的基本要求。由于L i n u x 是一种通用操作系统，而不是一个真正的实时操作系统，内核不支持事件优先级和抢占实时特性。所以，在开发嵌入式L i n u x 的过程中，首要问题是扩展L i n u x 的实时性能。一般来说，对L i n u x 实时性的扩展可以从两方面进行：向外扩展和向上扩展。向外扩展是从范围上扩展，让实时系统支持的范围更广、支持的设备更多。目前的开发所面向的设备一般仅限于较简单的、有实时要求的串并口数据采集、浮点数据计算等I l6】，而像实时网络这样实时系统的高级应用还需进一步的研究。向上扩展是扩矗：毒毒奄硕士学位论文第一章绪论究L i n u x

33、内核，从功能上扩充L i n u x 的实时处理和控制系统。4 改变L i n u x 内核的体系结构L i n u x 的内棱体系采用的是M o n o l i t h i c f”j，程这种体系结构中，内核的所有部分都集中在一越，面且所有的部件在一起编译连接。这榉虽然能使系统黝各部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高了系统的响应速度，实时性好并提高了C P U 的利用率，但在系统比较大的时候体积也b E 较大，与嵌入式系统容量小、资源搿限的特点不符含。而另外一种内核体系结构M i c r o K e m e l i”，谯内核中只包括了一些基本的内核功能如创建和删除任务、任务调度、

34、内存管理和中断处理等部分，而文件系统、网络协议栈等部分都楚在用户内存空间运行。这种结构照然执行效率不如M o n o l i t h i c 内核，但大大减小了内核的体积，同时也极大遣方便了整个系统静升级、维护和移植，困既驻能满避嵌入式系统的特点需要。为此，为使嵌入式L i n u x 的应用更加广泛，可以考虑将L i n u x 目前的M o n o l i t h i c肉孩结季每审豹部分结擒改造成M i e m K e m e l 体系结构。遁_；童这种薪中办法，可戳使得到的L i n u x 既具有很好的实时性，又能满足嵌入式系统体积小的要求。5。究善L i n u x 懿集戒开发强凌

35、提供宪整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整蠡孽嵌入式系统戆集残舞发坏壤一般需要撬供赘王爨是编译涟接器、蠹核谲凌满l踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试嚣、款锌伤龚器器j|耋援器笛。在L i n u x 系统孛，其骞凌戆骚大戆g c e 编译器工兵链，使用了基于G N U 的调试器g d b 的远程调试功能，一般由一台客户机运行调试程序，调试瘩主掇运短熬操嚣系绞蠹核；在佼鼹远程开发辩还戳接援交叉乎台的方式，如在W m d o w s 平台下的调试跟踪器对L i n u x 的宿主系统做调试。但是，L i n u x 在基于黧形界瑟懿特定系

36、统定铡平台戆磺究上，与W i n d o w s 操撵系统相比还存在差距。因此，鼗使嵌入拭L i n u x 在嵌入斌操作系统领域中的优势更加明最，整体集成嚣发琢壤还有待撼嚣积完饕。1 3 磺究曩标和研究内容1 3 1 研究目标嵌入式L i n u x 的相关研究是一个非常魔大的研究课题，涉及到体系结构、操 譬系统等多门计算机学科知识。限于精力并结合实际项目需要，本文主要针对以下三个目标展开研究工作：t。分析L i n u x 的源代码，磷究其实现祝裁，强麓掌撰这个广泛使雳豹优秀操作系统的核心技术：6硕士学位论文第一章绪论2 把握当前操作系统理论的发展方向，研究实现嵌入式L i n u x 内

37、核裁减方法，裁减和构建出体积尽可能小，消耗资源尽可能少的嵌入式L i n u x 操作系统；3 在裁减好内核的基础上进一步对文件系统做出更深一步的研究，提出自己的优化方案。1 3 2 研究内容和研究方法在这三个研究目标中，第一个目标是做铺垫工作，只有在搞清了L i n u x 本身的实现机理，才有可能对其作裁减或修改工作：第二个目标主要是获得理论和方法上指导，以便能够把握方向理清技术路线，并能根据理论知识指导自己完成裁减的基本工作：第三个目标则是要在前两步的基础上优化该系统。针对上面的研究目标，将分阶段、分模块开展研究工作，本文中主要研究工作如下：1 分析L i n u x 内核主要模块结构，

38、研究分析相关部分的源代码，理清各模块之间的关系，掌握核心模块的实现机制与实现方法：2 研究实现L i n u x 微型化和构件化的相关理论，完成配置内核以及其他相关的裁剪工作，能使裁减后的内核正常启动；3 研究L i n u x 的文件系统这里指的是最常用的E x t 2 文件系统的原理及相关代码，结合嵌入式系统的特点，对其数据块分配功能中特性提出对应的优化和改造方法。1 4 论文结构论文共分六章，结构如下：第一章介绍课题研究的相关背景，研究的现状及研究内容。第二章对L i n u x 内核主要功能模块做重点分析，给出嵌入式L i n u x 构建的微型化和构件化的策略与方法。第三章中本文结合

39、理论知识对现有的L i n u x 内核进行模块裁剪，完成构建嵌入式L i n u x 操作系统的基本工作。第四章中本文针对嵌入式的客观要求，对L i n u x 文件系统的数据块分配功能进行研究和优化改造。第五章中本文针对链式结构的E x t 2 文件系统索引方式，从理论上分析并比较B+树结构的查找方案，提出改造设想。第六章为工作总结，及下一步工作安排。二：u嚣嘧硕士学位论文第二章L i n u x 内棱结构分析第纛章L i n u x 内核结构分析2 1L i n u x 2 4 版本内核余绍2 1。1L i n u x 的内核绩梅L i n u x 内核主要由进程调度、晦存管理、虚拟文件

40、系统、网络接口和逖程闻邋信五部分组成f 嘲。袍稍各自韵功能为：1 进程调度负责控制进程对C P U 的访问，调度程序使用一种策略确保所有的进程都辘公平静访溺C P U，著艇确保肉核在任意时刻麓执行必疆的硬 串操作；2 内存管理负责管理系统的物理内存，实现多进程安全的麸亭计算机的内存。另井内存管理支持虚豫蠹存，使进程可以使用穴于实际物理斑存豹沲稃途址空间。不用的内存地址空间被导出到文件系统中并在需要使用时再导回到物理内存孛：3 虚拟文件系统通过将各种设备抽象为一种公共接阴，从而屏蔽了器种硬 攀设备懿缀节；4 网络接口实现了对各种网络标准和网络硬件的访问；5。遴程溺逶傣子系统实瑗了系统内遴摇阉戆多

41、耱逶傣橇铡。这五个子系统互相依赖，但相对来说进程调度处在比较重要的地位。其他子系绞嚣要接起窝恢复进程瓣运行都必须婊纛进程调瘦子系绫戆参冬。逶豢一令进稷在等待硬件设备时被挂起，硬件设备返阐结果后继续运行。当然，其他予系统也#零重簧：进程诞度在囊动进程融零要内存管理子系统遂牙内菇处理。滋程霹通信系统衙要内存管理实现进程间的内存拭享。虚拟文件系统需要使用网络接口实现网络文传系绞，两且使用内存管理子系统实现r a m d i s k 设各。内存管理器要使用虚拟义件系统实现内存的交换。2 1 2L i n u x 内核的特点分褥一个搽孬系统苕先应看其采霜静体系结 鸯，不蠢豹体系结构导致截然不同的性能和特

42、点。当前操作系统的体系结构主要包括单体结构(M o n o l i t h i c)、层次结稳、徽痰核缭枣弩(M i e r o k e m e l)三耱类鍪。L i n u x 蠹狻整俸上采溺豹怒荜俸内核结构。这种结构的特点是把操作系统备模块作为一个攘体编译运行，模块间联系跑较紧密，联蔽撬行效率较袁。毽其姣熹是胃修改牲鞠虿扩鬟性魄较簸，骖改一个模块会导致其他模块的相关修改，该过程相当复杂。硕士学位论文第二章L f l u x 内拔结构分析虽然L i n u x 是一个单体内核操作系统，但它与传统的单体内核U N I X 操作系统不同。在普通的单体内核系统中，所有内核代码都是静态编译连入的。而

43、在L i n u x 中，可以动态装入和卸载内核中的部分代码。L i n u x 中将这样的代码段落称为模块(M o d u l e)，并对模块给予了强有力的支持。在L i n u x 中，可以在需要时自动装入和卸载模块。L i n u x 内核并不支持用户态线程。线程是同时执行的共享资源的程序段。在线程问切换要比在进程间切换的开销少，大量使用线程可以使系统的效率得到提高。从而，线程在现代操作系统中得到了广泛的应用。但L i n u x 中线程的使用却很少见到，只是在内核态中定期执行某个函数时才会用到线程的概念，这些内核态线程由于不具有上下文(c o n t e x t)，故而不能在用户态使用

44、。在用户态中，L i n u x通过另一种方法解释并实现L W P(L i g h tW e i g h tT h r e a d)的机制I l”。L i n u x 中认为线程就是共享上下文的进程，并可以通过系统调用c l o n e()来创建新的线程。L i n u x 的内核为非抢占式的(n o n p r e e m p t i v e)。这就是说，L i n u x 并不能通过改变优先权来影响内核当前的执行流程。这样，L i n u x 内核中可以对某些重要的数据结构进行修改而不加任何保护措旌，因为不担心被其他程序所抢占。但如此一来，实时任务也就不能够得以保证，所以L i n u x

45、 并不是一个“硬”实时操作系统。L i n u x 从2 0 版起，其内核就对多处理器结构进行支持。2 2 版中对于对称多处理器(S y m m e t r i cM u l t i P r o c e s s i n g，简称S M P)1 2 0】进行了支持。这样，任意处理器可以执行任意程序。但是，L i n u x 中并没有针对S M P 结构进行优化，即虽然具有多个处理器，但所有内核代码还是顺序执行的，不可能并发执行。一2 1 3L i n u x 内核的文件目录1 K e r n e l 目录此目录下文件实现了大多数L i n u x 系统的核心函数 2 H，其中最重要、最主要的文件

46、当数s c h e d 岛关于进程控制的文件也位于此目录下。其中包括f o r k c 文件，定义了创建、“克隆”予进程的函数d of o r k()，e x i t c 文件定义结束自身进程的d o e x i t()，各种w a i t 操作，以及发送信号(s i g n a l)操作s e n t _ s i g。而s i g n a I c 文件中的函数都是关于信号控制的。L i n u x 设计一种模块机制。这种机制可以让诸如设备驱动程序等软件模块动态地连接到系统核心中。而k s y m s c 文件定义不属于任何子系统的L i n u x 的全程变量。此外，该目录下还包含一些重要的

47、文件，如：t i m e c 提供用户程序与系统之间关于时间的操作界面：r e s o u r c e c 关于I O 端口资源(p o r t)的管理；d m a c 关于D M A 通道的管理；9笃；j一督r碗士学位论文第二章L i n u x 内核结构分析s o f i r q C 关于b o R o mh a l f 队列的操作：i t i m e r c 关于R i m e r 定时器读舄的系统调用；p f i n t l【c 戚示系统工作参数的操作，如p r i n t k。2。r a m(M e m o r yM a n a g e m e n t)g l 录在这个目录下，存放这

48、有关内存管理的源文传，如页戏存储蟹理、内存的分配和释放等等口“。S w a p f i l e c 文佟是管理交换文件和交换设备的源程序赝在。宅包括s w a p o n、s w a p o f f 系统调阕的执行程序，以及从交换空间申请空阑页面的操作g e t _ s w a p _ p a g e；P a g e _ i o C 文件则实现了与交换空脚底层的数据传输；S w a p _ s t a t e e文件维护s w a p 缓存，它饿括(可以说)存储管理系统中撩复杂、最难懂的操作和结构；V m s c a n c 文件定义后交换进程k s w a p d 的代码，以及内存空间扫描函

49、数，实现L i n u x 的页舔涣出策酶，如姆t o。freepages所有的存储分配策略都在i l l m 目录里实现。例如，k m a l l o c C 实现核心内存块(浚数攒结构f l e ea e a 表为入秘)的搽作k m a l l o c()、k f r c e()等；V m a l l o c C里包含v m a l l o c()、v f r e e()、v r e m a p()等黼数：物理页面的申请函数源程序集中在l x t g e 舔孛；内存管疆孛低滋核心滋数大多安撩在文释孛，如缺10cCm e m o r y c页中断响廒函数，以及众多页表管理函数；虚拟空间映射操

50、作以及系统调用b r k兹晌应蘧数，都涉及进程寝羧空润遥蛙戆诞整，稳关源代鹃在m m a p e 文 孛孛。对m r e m a p 的操作代码则在m r e m a p，C 文件中。3。热嚣录L i n u x 能支持多种文件系统，宦所支持的文件系统类型都包含在这个文件加下。每秘文徉系绫类型郝淤一令狻立戆文转热存在。舞票嚣要添热颛豹文锌系统支持，就可以将对威的描述文件以及文件系统相关操作以及功能源文件以一个新鳆文件夹保存在该嚣录下。除此之外，从图中还可以看到有很多后缀名为c 的文件，这些都是关于文撵操作的源代码。F s 曩豢源程序滚盖各耱类型憨文传系统秘文 孛操传。该基录下的每个予目录则分门