第1单元 嵌入式Linux操作系统简介.pdf

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1、1Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系第第第第1 1单元单元单元单元 嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式LinuxLinux操作系统简介操作系统简介操作系统简介操作系统简介2Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.1 1.1 计算机硬件简介计算机硬件简介计算机硬件简介计算机硬件简介 要理解操作系统，首先要了解计算机的组成要理解操作系统，首先要了解计算机的组成与工作原理与工作原理3Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系计算机的组成

2、与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理冯冯偌依曼结构计算机结构偌依曼结构计算机结构:运算器 存储器 输入设备 输出设备 控制器4Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理运算器存储器输出设备输入设备控制器数据流控制流5Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理计算机的组成与工作原理中央处理机（cpu

3、)由运算器和控制器构成Control BusData BusAdress BusRAMROMI/O接口外围设备目前微机中常用的总线结构有：ISA，MCA，EISA，VESA，PCI6Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.2 1.2 操作系统的概念操作系统的概念操作系统的概念操作系统的概念计算机系统(层次结构)软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件，编译软件操作系统图计算机系统的组成7Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系操作系统的地位操作系统的地位操作系统的地位操作系

4、统的地位8Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系引入操作系统的目的引入操作系统的目的引入操作系统的目的引入操作系统的目的 从用户的角度来看，计算机是为用户提供服从用户的角度来看，计算机是为用户提供服务的，引入操作系统是让计算机为用户提供务的，引入操作系统是让计算机为用户提供最好的服务，构建一个用户和计算机之间的最好的服务，构建一个用户和计算机之间的和谐交互环境。和谐交互环境。从系统管理人员的观点来看，操作系统是计从系统管理人员的观点来看，操作系统是计算机资源的管理者。算机资源的管理者。从发展的观点看，引入操作系统是为了给计从发展的观点看

5、，引入操作系统是为了给计算机系统的功能扩展提供支撑平台。算机系统的功能扩展提供支撑平台。9Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系操作系统定义操作系统定义操作系统定义操作系统定义 操作系统是一种管理计算机资源以及控制程序执行，方便用户使用计算机的系统软件。是人与计算机之间的接口。10Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史 1.3.11.3.1无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统人工操作方式 用户独占全机

6、 CPU等待人工操作 人机矛盾脱机输入/输出方式 减少了CPU的空闲时间 提高了I/O速度输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备11Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史 1.3.21.3.2单道批处理系统单道批处理系统 单道批处理系统的处理过程 单道批处理系统的特征 自动性 顺序性 单道性12Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史1.3.

7、31.3.3多多道道批批处处理理系系统统t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a)单道程序运行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b)四道程序运行情况A完成结束中断13Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系

8、统的历史操作系统的历史操作系统的历史 1.3.41.3.4分时系统分时系统 分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统的产生 人机交互 共享主机 便于用户上机 分时系统实现中的关键问题 及时接收和及时处理。分时系统的特征 多路性、独立性、及时性和交互性。14Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史 1.3.51.3.5实时系统实时系统 实时系统是指系统能及时响应外部事件的

9、请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。应用需求 实时控制 实时信息处理。15Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.3 1.3 操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史操作系统的历史 操作系统的进一步发展 个人计算机上的操作系统，例如Windows操作系统系列；嵌入式操作系统，例如Symbian操作系统；网络操作系统；分布式操作系统；智能化操作系统。16Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.4 1.4 操作系统的基本类型操作系统的基本类型

10、操作系统的基本类型操作系统的基本类型 批处理操作系统；分时操作系统；实时操作系统；嵌入式操作系统；个人计算机操作系统；网络操作系统；分布式操作系统。17Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.5 1.5 操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能 1.5.11.5.1处理机管理功能处理机管理功能 进程控制 创建进程、撤消进程 进程状态转换 进程同步 互斥：竞争临界资源 同步：协作 进程通信 进程间的信息交换调度 调度算法18Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1

11、.5 1.5 操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能 1.5.21.5.2存储器管理功能存储器管理功能 内存分配 分配内存 回收内存 内存保护 多道程序互不干扰 地址映射 将逻辑地址映射成物理地址 内存扩充 请求调入功能 置换功能19Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.5 1.5 操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能 1.5.31.5.3设备管理功能设备管理功能 缓冲管理 速度匹配 设备分配 分配与回收 设备处理 设备驱动程序20Neusoft Institute of Information

12、嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.5 1.5 操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能 1.5.41.5.4文件管理功能文件管理功能 文件存储空间的管理分配内存 分配存储空间 回收存储空间 目录管理 有效组织文件 提高检索速度 文件的读/写管理和保护 文件的读写管理 文件的保护21Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.5 1.5 操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能操作系统的功能 1.5.51.5.5操作系统与用户之间的接口操作系统与用户之间的接口 用户接口 联机用户接口 脱机用户接口（批处理用户接口）图形用

13、户接口 程序接口 用户程序取得操作系统服务的唯一途径。22Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.6 1.6 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统 实时操作系统的概念实时操作系统的概念实时系统：系统的正确运行要同时满足特定的逻辑和时间关系。实时操作系统RTOS(real time operation system):是指能支持实时控制系统工作的操作系统。23Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.6 1.6 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式

14、操作系统嵌入式操作系统：支持嵌入式系统工嵌入式操作系统：支持嵌入式系统工作的操作系统。嵌入式系统一般具有实时作的操作系统。嵌入式系统一般具有实时特点，这里把嵌入式操作系统和实时操作特点，这里把嵌入式操作系统和实时操作系统不加区别对待。系统不加区别对待。24Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.6 1.6 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式操操操操作作作作系系系系统统统统的的的的结结结结构构构构25Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工

15、程系1.6 1.6 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统的分类从嵌入式系统的应用来分类，可以分为面向低端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备的嵌入式操作系统。低端：各种工业控制系统，计算机外设，民用消费品的微波炉，洗衣机，冰箱等,例如ucos高端：信息化家电，掌上电脑，机顶盒、手机，路由器，例如wince,linux.26Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系1.6 1.6 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统?商用型商用型商用型商用型RTOSRTOS?VxWor

16、ks?Win CE?pSOS?Palm OS?OS-9?LynxOS?QNX?开放原代码开放原代码开放原代码开放原代码RTOSRTOS（免费（免费（免费（免费型）型）型）型）?嵌入式嵌入式Linux?C/OS-II几种最常见的几种最常见的几种最常见的几种最常见的RTOSRTOSRTOSRTOS27Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系VxWorksVxWorks VxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国操作系统是美国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于公司于公司于19831983年设计开年设计开

17、年设计开年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（发的一种嵌入式实时操作系统（发的一种嵌入式实时操作系统（发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），），），），具有良好的持续具有良好的持续具有良好的持续具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorksVxWor

18、ks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是：所具有的显著特点是：所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、i960i960、Sun Sun SparcSparc、Motorola MC68KMotorola MC68K、MIPS MIPS、POWER PCPOWER PC等等。等等。等等。等等。大多数的大多数的大多数的大多数的VxWorksVxWorks APIAPI是专有的。是专有的。是专有的。是专有的。“索杰纳索杰纳

19、索杰纳索杰纳”火星车。火星车。火星车。火星车。28Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系Windows Embedded Windows Embedded Windows CE 3.0Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智能：一种针对小容量、移动式、智能：一种针对小容量、移动式、智能：一种针对小容量、移动式、智能化、化、化、化、3232位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统；位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统；位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统；位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统；Windows CE3.0

20、Windows CE3.0为建立针对掌上设备、无线设备的动为建立针对掌上设备、无线设备的动为建立针对掌上设备、无线设备的动为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台；台；台；台；Windows CE3.0Windows CE3.0以前的产品都不是实时系统，属于软以前的产品都不是实时系统，属于软以前的产品都不是实时系统，属于软以前的产品都不是实时系统，属于软实时操作系统，其优点是基于实时操作系统，其优点是基于实时操作系统，

21、其优点是基于实时操作系统，其优点是基于WindowsWindows背景，界面比背景，界面比背景，界面比背景，界面比较漂亮，容易为用户所接受。较漂亮，容易为用户所接受。较漂亮，容易为用户所接受。较漂亮，容易为用户所接受。操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200K200K的的的的ROMROM。29Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系QNX QNX 加拿大加拿大加拿大加拿大QNXQNX公司的产品。公司的产品。公司的产品。公司的产品。QNXQNX是在是在是在是在X86X86

22、体系上面开发出来的，这和别的体系上面开发出来的，这和别的体系上面开发出来的，这和别的体系上面开发出来的，这和别的RTOSRTOS不不不不一样，别的好多一样，别的好多一样，别的好多一样，别的好多RTOSRTOS都是从都是从都是从都是从68K68K的的的的CPUCPU上面开发成上面开发成上面开发成上面开发成熟，然后再移植熟，然后再移植熟，然后再移植熟，然后再移植到到到到X86X86体系上面来体系上面来体系上面来体系上面来 QNXQNX是一个实时的、可扩充的操作系统。是一个实时的、可扩充的操作系统。是一个实时的、可扩充的操作系统。是一个实时的、可扩充的操作系统。由于由于由于由于QNXQNX具有强大的

23、图形界面功能，因此很适合作为具有强大的图形界面功能，因此很适合作为具有强大的图形界面功能，因此很适合作为具有强大的图形界面功能，因此很适合作为手持设备（手掌电脑、手机）、手持设备（手掌电脑、手机）、手持设备（手掌电脑、手机）、手持设备（手掌电脑、手机）、GPSGPS设备等需要图形设备等需要图形设备等需要图形设备等需要图形界面的实时操作系统使用界面的实时操作系统使用界面的实时操作系统使用界面的实时操作系统使用。30Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系嵌入式实时内核嵌入式实时内核嵌入式实时内核嵌入式实时内核 C/OSC/OS C/OSC/

24、OS简介简介简介简介 C/OSC/OS与与与与LinuxLinux一样，是一款公开源代码的免费一样，是一款公开源代码的免费一样，是一款公开源代码的免费一样，是一款公开源代码的免费实时内核；实时内核；实时内核；实时内核；C/OSC/OS已在各个领域得到了广泛的应用已在各个领域得到了广泛的应用已在各个领域得到了广泛的应用已在各个领域得到了广泛的应用;C/OSC/OS具有具有具有具有RTOSRTOS具有的基本性能；具有的基本性能；具有的基本性能；具有的基本性能；C/OSC/OS的代码尺寸小，结构简明；的代码尺寸小，结构简明；的代码尺寸小，结构简明；的代码尺寸小，结构简明；C/OSC/OS易学、易移植

25、；易学、易移植；易学、易移植；易学、易移植；31Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式LinuxLinux发展概述发展概述发展概述发展概述 LinuxLinux的发展最早可以追溯到的发展最早可以追溯到的发展最早可以追溯到的发展最早可以追溯到19901990年，当时正在赫尔辛基大学年，当时正在赫尔辛基大学年，当时正在赫尔辛基大学年，当时正在赫尔辛基大学读研究生的芬兰人读研究生的芬兰人读研究生的芬兰人读研究生的芬兰人LinusLinus TorvaldsTorvalds，由于一次偶然的机会，由于一次偶然的机会，由于一

26、次偶然的机会，由于一次偶然的机会,不不不不经意的开始了经意的开始了经意的开始了经意的开始了LinuxLinux内核开发工作内核开发工作内核开发工作内核开发工作,而而而而LinuxLinux能够发展到今天这能够发展到今天这能够发展到今天这能够发展到今天这样的规模则完全出乎了样的规模则完全出乎了样的规模则完全出乎了样的规模则完全出乎了LinusLinus他本人预料。他本人预料。他本人预料。他本人预料。19911991年年年年1010月月月月5 5日，日，日，日，LinusLinus TorvaldsTorvalds正式宣布了正式宣布了正式宣布了正式宣布了LinuxLinux的第一个的第一个的第一个

27、的第一个正式版本正式版本正式版本正式版本0.020.02版本。这个版本能够运行版本。这个版本能够运行版本。这个版本能够运行版本。这个版本能够运行bashbash和和和和gccgcc。随着一批高水平黑客通过计算机网络加入到随着一批高水平黑客通过计算机网络加入到随着一批高水平黑客通过计算机网络加入到随着一批高水平黑客通过计算机网络加入到LinuxLinux的内核开的内核开的内核开的内核开发。发。发。发。LinuxLinux终于在终于在终于在终于在19941994年年年年3 3月月月月1414日发布了它的第一个正式版本日发布了它的第一个正式版本日发布了它的第一个正式版本日发布了它的第一个正式版本1.

28、01.0版版版版.32Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式LinuxLinuxLinuxLinux操作系统的优势操作系统的优势操作系统的优势操作系统的优势 低成本开发系统：低成本开发系统：低成本开发系统：低成本开发系统：LinuxLinux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍是开放源码的，不存在黑箱技术，遍是开放源码的，不存在黑箱技术，遍是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多布全球的众多布全球的众多布全球的众多LinuxLinux爱好者又爱好者又爱好者又爱好者又是是是是LinuxLinux开发的强大技术后盾；

29、开发的强大技术后盾；开发的强大技术后盾；开发的强大技术后盾；可应用于多种硬件平台：可应用于多种硬件平台：可应用于多种硬件平台：可应用于多种硬件平台：LinuxLinux不仅支持不仅支持不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支，还可以支，还可以支，还可以支持其他数十种持其他数十种持其他数十种持其他数十种CPUCPU芯片；芯片；芯片；芯片；可定制的内核：可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入可定制的内核：可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入可定制的内核：可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入可定制的内核：可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入或移出内核，并能根据嵌入式设备的

30、个性需要量体裁衣；或移出内核，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣；或移出内核，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣；或移出内核，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣；性能优异：性能优异：性能优异：性能优异：LinuxLinux的内核精简、功能强大、运行稳定、系统健的内核精简、功能强大、运行稳定、系统健的内核精简、功能强大、运行稳定、系统健的内核精简、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高；壮、效率高；壮、效率高；壮、效率高；良好的网络支持：良好的网络支持：良好的网络支持：良好的网络支持：LinuxLinux内核的结构在网络方面是非常完整内核的结构在网络方面是非常完整内核的结构在网络方面是非常完

31、整内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对多种联网方式和速度的全面支持。的，它提供了对多种联网方式和速度的全面支持。的，它提供了对多种联网方式和速度的全面支持。的，它提供了对多种联网方式和速度的全面支持。33Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式LinuxLinux主要的主要的主要的主要的LinuxLinux版本版本版本版本1.1.Red Hat LinuxRed Hat Linux（本书（本书（本书（本书RHEL ASRHEL AS版本）版本）版本）版本）2.2.Fedora CoreFedora Core

32、3.3.DebianDebian4.4.SuSeSuSe Linux Linux 5.5.TurboLinuxTurboLinux6.6.Mandrake Linux Mandrake Linux 7.7.红旗红旗红旗红旗Linux Linux 8.8.冲浪冲浪冲浪冲浪Linux Linux 9.9.中软中软中软中软LinuxLinux34Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式LinuxLinux如何学习如何学习如何学习如何学习LinuxLinux?动手实践动手实践动手实践动手实践?互联网互联网互联网互联网35Neusoft Institute of Information嵌入式系统工程系嵌入式系统工程系习题习题1.1 1.1 什么是操作系统，其基本功能是什么什么是操作系统，其基本功能是什么?1.2 1.2 什么是批处理、分时和实时系统什么是批处理、分时和实时系统?各有什么特征各有什么特征?1.3 1.3 常用的嵌入式操作系统有哪些？常用的嵌入式操作系统有哪些？