王孔啟，美国西北大学电机工程博士，华盛顿州立大学教授。他的研究方向包括操作系统、分布式系统和并行计算。1960年，他在中国台湾大学获得了他的第一个电机工程学士学位。

<p>本书涵盖了操作系统的基本概念和原则，展示了如何将它们应用于设计和实现完整的嵌入式与实时操作系统。包括ARM架构、ARM指令和编程、用于开发程序的工具链、用于软件实现和测试的虚拟机、程序执行映像、函数调用约定、运行时堆栈使用以及用汇编代码链接C程序的所有基础和背景信息。</p>

ARM处理器的架构涉及工作模式、CPU寄存器与指令集。书中详述了多种ARM指令，如条件标志、分支控制、算术运算、比较逻辑操作、数据移动、移位操作、乘法指令、装载存储指令，以及利用基址寄存器、块传输、堆栈操作等技术。此外，ARM工具链的运用和在模拟器上的编程实践也得到了介绍，通过实例演示汇编与C语言的混合编程，并涵盖了设备驱动开发，如系统内存映射、GPIO控制、UART串行通信和LCD显示驱动。中断和异常处理机制包括处理器的中断类型、控制器以及软件中的干预策略。

嵌入式系统软件设计涵盖多处理器进程模型（真实地址空间和虚拟地址空间），静态与动态进程管理，抢占性和非抢占性调度策略。书中还解析了单处理器内核结构及其在实时系统中的应用。多任务处理深入讲解了进程概念、上下文切换及创建，以及调度的关键术语、目标和算法，特别关注嵌入式系统的实践。

进程同步方法如睡眠与唤醒机制，以及信号量的原理、应用场景和优缺点也被详细讨论。事件标志、条件变量等其他同步工具也有所提及，同时探讨了共享内存、管道、信号和消息传递在内的通信方式。内核实现方面，展示了非抢占性和抢占性调度策略的实例。

在ARM内存管理部分，讲解了进程地址空间、MMU及其寄存器操作，通过示例程序解释虚拟地址到物理地址转换过程，以及页表与描述符的工作原理。用户模式进程、系统调用和多级分页下的内存管理与文件系统实现也得到了阐述。

此外，嵌入式操作系统进程管理包括动态分页、异常和信号处理机制。Unix/Linux和EOS中的信号处理进行了对比分析，设备驱动、调度、定时器服务和EXT2文件系统的应用也被详尽解析。块设备I/O缓冲和缓存管理算法的性能优化也有所涉及。用户界面如INIT程序、登录程序和sh shell的功能被介绍，通过实例展示了EOS启动过程、命令处理以及信号异常处理。

最后，嵌入式实时操作系统（RTOS）的概念被探讨，包括任务调度策略、优先级反转及其预防措施，并对比分析了FreeRTOS、µC/OS、NuttX等流行RTOS。

Frontmatter

嵌入式系统：架构、编程与操作系统设计这本书深入探讨了嵌入式系统的核心概念和技术，旨在为计算机科学专业的学生和对计算机技术感兴趣的读者提供全面的学习资源。它适合作为课程教材，也适合自学。书中内容自成体系，包含丰富的实例和工作样本，帮助读者实践并理解操作系统的设计和实现。

首先，本书详细介绍了嵌入式系统的架构，包括ARM处理器的操作模式、异常类型以及中断处理的机制。通过实际案例，读者可以学习如何设计和实现基于中断的设备驱动程序，如定时器、键盘、UART和SD卡驱动。此外，书中还讨论了向量中断的优势，并展示了配置Vector Interrupt Controllers（VICs）进行向量中断的方法，以及嵌套中断的原理和处理过程。

接着，本书转向多处理机（SMP）技术在嵌入式系统中的应用。对比了Intel和ARM实现SMP的不同方法，并详细介绍了ARM MPcore处理器及其组件功能，特别是通用中断控制器（GIC）在中断路由和多处理器间通信中的作用。书中展示了如何配置GIC并编写相关代码，以及如何在SMP环境下处理同步问题。通过介绍测试并设置指令执行原子更新和临界区，读者可以理解这些基本的并发控制机制。此外，还讲解了ARM MPcore的新特性，如LDRES/STRES指令和内存屏障，展示了如何利用它们实现锁、互斥量和信号量以支持SMP中的进程同步。书中定义了条件锁、互斥量和信号量，并说明了它们在防止SMP内核死锁中的应用。最后，本书提出了一种将单处理器操作系统（OS）内核扩展到SMP的策略，并以此为基础构建了一个完整的SMP_EOS系统，通过示例程序展示了其功能。

总的来说，这本书为读者提供了全面的嵌入式系统知识，从基础概念到高级技术都有深入讲解，旨在帮助读者掌握这一领域的核心技能。无论是作为学习资源还是参考手册，本书都是一个理想的选择。

1. Introduction

ARM架构是一种专为移动和嵌入式环境设计的精简指令集计算机（RISC）微处理器家族，因其体积小、功耗低的特点，在智能手机和嵌入式系统中广泛应用。本书主要探讨ARM处理器，特别是Cortex系列，包括Cortex-М用于微控制器和SoC应用，Cortex-R适用于实时信号处理和控制应用，以及Cortex-A适合带有完整操作系统的通用应用程序。Cortex-A8和Cortex A9-MPcore因高级特性在现代嵌入式系统中占主导地位，但经典ARM核心由于成本效益高，在某些专用应用的嵌入式系统中仍被采用。

书中使用经典ARM926EJ-STM和Cortex A9-MPcore进行示例设计和实现。没有实际ARM系统的读者可以借助QEMU模拟器中的ARM虚拟机进行编程和测试。内容涵盖ARM架构、ARM汇编语言基础编程、汇编代码与C程序接口、ARM工具链、系统模拟器以及简单I/O设备驱动，如UART串口驱动和LCD显示驱动。

此外，书中还详细介绍了ARM处理器的七种工作模式，包括用户模式、系统模式、快速中断请求处理模式等，以及37个通用寄存器的组织和访问方式。指令流水线技术通过FETCH-DECODE-EXECUTE三个阶段加快指令处理速度，但程序计数器（PC）实际上指向正在被获取的指令而非执行中的指令，这影响函数调用和中断处理。BL指令用于函数调用时自动调整返回地址为PC-4；中断处理程序则需手动或使用特殊属性调整链接寄存器以正确返回。

ARM支持多种操作，如算术、逻辑、移位和比较等，通过MOV加载特定值到寄存器，LDR加载任意32位值。处理器采用Load/Store架构，数据先加载到寄存器再使用。QEMU软件可以模拟Versatilepb虚拟机，简化测试和开发流程。编写ARM汇编代码、编译、链接后生成可执行二进制文件，并通过linker script定义程序布局。在QEMU中运行该文件，监控CPU寄存器和内存内容验证结果。

程序由代码、数据和BSS段组成，BSS存储初始化为零的变量，堆用于动态内存分配，栈用于函数调用。C语言函数调用遵循特定约定：参数传递、控制转移和返回值处理。通过示例展示函数如何保存和恢复寄存器，管理栈帧，并介绍长跳转概念。

setjmp和longjmp函数在函数调用序列中实现跳转，回到之前保存的执行环境。它们在系统编程中用于信号处理等场景。C语言中调用汇编函数或使用内联汇编进行高效编码。书中还会涉及设备驱动程序开发，如UART串口、定时器、LCD显示器和多媒体SD卡。

ARM系统架构中的内存映射I/О允许通过系统内存访问输入/输出设备。Versatile/926EJ-С板的内存映射展示了从256MB开始的2MB区域分配给I/O设备，包括存储器、控制器等。GPIO编程用于连接开关、传感器等外部设备。UART驱动程序管理数据输入和输出，通过检测标志寄存器状态实现。

在嵌入式系统中，使用QEMU模拟器运行程序涉及交叉编译工具链生成可执行文件，并将其转换为二进制格式。启动QEMU加载内核，通过串口监视器重定向输出。示例程序展示了LCD屏幕显示图像和文本的功能。图像文件以二进制数据形式包含在可执行文件中，文本显示需要字体文件定义字符位映射。

LCD驱动程序将屏幕视为像素组成的矩形，帧缓冲区存储每个像素的BGR值。通过Mailman算法计算像素地址，实现设置像素颜色、清除、显示字符等功能。定时器用于闪烁光标，通用printf()函数支持格式化打印到UART和LCD显示器等设备。

2. ARM Architecture and Programming

计算机系统中，中断和异常处理是关键机制。当CPU执行指令时，异常如处理器识别的事件会打断正常流程，转而执行异常处理程序；而中断则由外部事件触发，使CPU暂停当前任务，转向中断处理。两者虽有相似之处，但中断源于外部源头，异常可能源自CPU内部。

嵌入式系统尤其依赖对外部事件的即时响应，如用户输入、定时器事件或I/O设备请求，因此中断和其处理对它们至关重要。本书详细讲解基于ARM系统的中断与异常处理，并通过实例展示如何构建遵循这些原则的设备驱动程序。

ARM处理器有七种操作模式，其中用户模式是非特权的，其他为特权模式。在特权模式下，CPU可直接切换模式，但在用户模式则需通过异常、中断或SWI指令实现。每个模式有自己的寄存器银行，除了系统模式与用户模式共享部分寄存器。

ARM有七种异常类型，如数据 abort、FIQ（快速中断）和IRQ（普通中断）。当这些异常发生时，CPU执行一系列操作，包括保存状态、切换模式、禁用中断，并跳转到相应处理程序。优先级决定了异常的处理顺序。

ARM向量表存储了异常和中断处理程序的入口地址，每个条目包含一个指令，加载PC（程序计数器）调用相应的异常函数。

章节深入探讨了ARM架构下的CPU操作模式、异常处理机制以及嵌入式系统中如何有效利用这些机制响应外部事件。

在ARM处理器中，只有当CPSR中的中断屏蔽位为0时，外部中断请求如FIQ（快速中断）和IRQ（常规中断）才会被接受。FIQ优先级高于IRQ，并在处理过程中禁用后续中断，直到完成或手动恢复CPSR。为了管理多个IRQ，系统通常配置一个中断控制器，如PL190或PL192。

中断处理程序有三种类型：非嵌套、嵌套和重入型。非嵌套中断处理期间会屏蔽同级其他中断，而重入型则尽快恢复中断，支持同一程序的多次执行。

ARM Versatile 926EJS Timers包含两个双定时器模块，每个有两个同步时钟驱动的定时器。Timer0和1通过IRQ4中断，Timer2和3通过IRQ5。一个示例展示了如何为Versatile板编写定时器驱动，涉及链接器脚本、汇编代码初始化、C语言函数如copy_ vectors()、timer_handler()和main()。

在程序运行中，首先执行复位处理程序设置SVC模式栈，复制向量表，然后进入IRQ模式设置中断栈，返回SVC模式启用中断，接着开始执行main()。主程序初始化LCD驱动、FIFO缓冲区，启动定时器处理。当定时器溢出，触发中断调用timer_handler更新显示时间。

ARM PL050鼠标键盘接口在Versatile板上设有基地址和特定寄存器位设置。键盘驱动分为中断处理、输入缓冲和上层三部分。按键按下时产生中断，读取扫描码转换为ASCII字符，放入缓冲区通知上层程序。示例C3.2展示了一个简单的中断驱动键盘驱动。

UART（通用异步接收/发送器）在ARM处理器配合PL011控制器的嵌入式系统中用于串行通信。通过设置波特率、数据位数和校验位初始化，驱动程序需正确设置IMSC以启用RX和TX中断。当UART发生中断，可通过MIS确定类型并调用相应处理函数。

示例驱动程序使用结构体表示UART设备，包括基地址、编号、缓冲区和控制变量。通过设置寄存器位启用或禁用中断，配置工作模式。主要功能有初始化设备、处理中断（接收和发送）、读取输入缓冲区字符（ugetc）和向输出缓冲区写入字符（uputc），确保数据正确传输。

在嵌入式系统中，UART的使用演示了如何与PL011控制器配合，初始化参数、设置中断处理以及实现简单中断驱动程序管理输入输出。通过结构体表示设备，简化数据传输过程，并扩展到其他UART接口。

中断驱动的KBD和UART驱动程序在t. c文件中包含初始化和中断处理函数。主程序初始化UART设备和VIC以处理中断，通过UART终端进行串行I/O测试。每个IRQ中断通过中断处理程序确定来源并调用相应处理程序，如UART相关代码所示。

SDC驱动程序包括初始化、读扇区、写扇区和中断处理。初始化设置SD卡为操作状态，并启用接收和传输中断掩码。读取扇区时，设置缓冲区指针和完成标志，发送CMD17开始数据传输；写入使用CMD24。中断处理根据中断源决定读写数据，更新完成标志。

原始SD卡驱动在中断处理中执行所有数据传输，可能性能低下。改进版仅在RX FIFO满或TX FIFO空时生成中断，每个中断转移16个u32数据。多扇区数据传输使用CMD18和CMD25进行读写，并在字节数量为0时用CMD12停止。

ARM PL190 Vectored Interrupt Controller (VIC)用于 vectored interrupts 的编程，涉及VectorAddr、DefaultVecAddr等寄存器。配置中断源和VIC启用 vectored interrupts。示例C3.5展示了Timer0、UART0、UART1和Keyboard的配置，并通过输出显示 timer、UART 和 KBD 驱动运行情况。

嵌入式系统中的 vectored interrupts 可让每个硬件中断有预定义ISR，通过向量表处理中断。然而，所有中断由同一ISR处理可能导致优先级反转。为解决此问题，嵌入式系统引入 nested interrupts，允许在处理一个中断时接受更高优先级的中断，减少响应延迟。

ARM处理器虽非高效支持 nested interrupts 设计，但可通过技巧实现，如使用 SYS 模式和 SVC 模式。示例程序展示了如何在 SVC 模式下处理 nested interrupt，并检测不同优先级中断，以演示效果。

嵌入式系统中，中断处理至关重要，包括理解ARM处理器运行模式、异常类型和向量。通过设计驱动程序，如定时器、键盘、UART和SD卡驱动，实践设备驱动的构建。此外，讨论了向量中断优点，配置VIC实现 vectored interrupts，并展示了 nested interrupt 处理方法。尽管ARM在处理嵌套中断时存在限制，但理解这些原则并应用到实践中，能优化嵌入式系统设计。

3. Interrupts and Exceptions Processing

嵌入式系统是监控传感器和控制外部设备的程序结构，早期由微控制器构成，控制程序简单。随着计算需求提升，现代系统更复杂，可能运行完整操作系统如Android。设计趋势朝向多功能移动环境。超级循环模型中，程序为无限循环，持续检查状态并处理响应，效率低且无法有效处理异步事件。相比之下，事件驱动模型仅在设备就绪时触发事件，通过中断处理程序动态响应，降低能耗，提高响应性。

示例C4.1和C4.2展示超级循环控制单或多设备。事件驱动模型中，程序等待事件，中断处理执行任务，减少CPU占用。嵌入式系统通过定时器和显示器实现周期性事件驱动：一种在定时器中断执行短任务，主程序休眠节能；另一种主程序负责所有任务，节能模式下，中断仅设标志供后续处理。

事件驱动编程模型包含中断处理和多任务，如C4.4中键盘（KBD）和串行通信单元（UART）的异步事件。引入进程或任务概念，允许多并发执行单元，根据处理器数量和内存管理选择模型。实时系统需满足严格定时，设计方法包括高级语言支持事件驱动编程，如Java、C++，以及状态机模型描述运行方式。

状态机将系统视为有限状态机器，通过定义状态、输入、输出和转换函数描述运行。基于状态机的设计过程包括构建初始状态表、最小化减少冗余。有限状态机（FSM）适用于小规模问题，但复杂系统需更高级的StateChart模型，涉及并发、同步和通信概念。

三本书分别关注事件驱动编程的语言支持、嵌入式系统的规格与设计，以及当代逻辑设计最新知识。

4. Models of Embedded Systems

在嵌入式系统中，多任务处理是通过操作系统内核管理多个并发执行的进程来实现的。每个进程由代码、数据和堆栈组成，并有一个称为进程控制块（PROC）的数据结构存储相关信息。单CPU系统通过快速切换CPU来模拟同时运行多个任务，这被称为并发性。

在这些系统中，进程调度是关键部分，它负责决定哪个进程在何时使用CPU。一个名为proc1的流程图展示了如何在运行和等待的进程中进行上下文切换，即保存当前进程状态并恢复新进程执行点。当进程调用tswitch()函数让出CPU时，这些操作会自动完成。

进程与函数的主要区别在于，函数是被动代码片段，而进程是函数的活性执行实例。进程首次运行时，其进程栈为空，随着执行开始，栈根据函数调用情况增长或缩小。每个进程有4KB内核栈大小限制，防止因函数调用序列过长导致栈溢出。

动态创建进程涉及为新进程分配PROC结构，并管理空闲列表和就绪队列。新进程从空闲列表中获取PROC，而终止的进程将其释放回列表供重用。就绪队列按优先级存储待运行的PROC，同优先级进程遵循先进先出原则。

程序C5.3演示了如何通过kfork创建具有指定优先级的新进程，并使用kexit结束进程并释放其PROC。调度器根据就绪队列中的进程进行切换和执行，用户可以通过输入字符控制任务切换、创建或终止。

多任务操作系统的目标包括高效利用资源、快速响应交互式进程、保证实时性和公平性。调度策略有基于优先级的抢占式和非抢占式。前者允许高优先级进程任何时候打断低优先级进程，后者则让进程运行至完成或主动释放CPU。

进程同步是确保共享数据完整性的关键，使用睡眠/唤醒操作让进程等待资源可用并被唤醒。中断驱动设备驱动程序如键盘驱动（KBD）通过缓冲区和控制变量管理输入。kgetc()函数获取字符，若无数据则进入睡眠状态，直到有新键处理并唤醒。

在事件驱动系统中，如定时器、串口和键盘任务，进程会因等待事件而空闲，此时其他进程可以运行。资源管理使用睡眠/唤醒机制，进程尝试获取资源时，如果资源忙，则进入睡眠，资源释放后被唤醒再次尝试。

为了解决多处理器系统的同步问题，信号量作为一种更有效的工具引入。它包含互斥锁、初始值和阻塞队列，用于控制对共享资源的访问。P操作减小信号量并可能使进程阻塞，V操作增加信号量并唤醒等待进程。与睡眠/唤醒相比，信号量提供原子性操作和灵活的操作顺序。

操作系统中还有其他同步机制如事件标志、条件变量等，它们在进程间通信中起着重要作用。这些工具旨在解决并发编程中的问题，确保数据一致性和系统稳定性，但需谨慎设计以避免死锁。

此外，还介绍了进程通信的不同方式，包括共享内存（通过信号量或互斥锁保护）、管道（单向字符流）和消息传递（交换自定义内容）。异步和同步消息传递各有优缺点，前者非阻塞但可能导致缓冲区耗尽，后者阻塞但可能引发死锁。

在嵌入式系统中，进程通信方式如管道、信号和消息传递被用于进程间数据交换。其中，管道适用于具有父子关系或管道关系的进程，而同步消息传递则需额外信号量进行进程同步，以防止死锁风险。

5. Process Management in Embedded Systems

ARM处理器的内存管理涉及地址空间管理和MMU（内存管理单元）的操作。系统启动时，处理器执行重置处理程序并初始化各个模式的堆栈进入用户模式。每个任务在独立的地址空间运行以保证安全和可靠性。MMU分配虚拟地址空间并实施保护，通过转换虚拟地址为物理地址，并检查访问权限。它支持基于节或页的管理方式，以及4KB和64KB两种页面大小。此外，MMU还支持域概念，每个域有独立的访问权限设置。

启用MMU前需配置CP15寄存器，包括合适的转换表。禁用指令缓存后启动MMU，通过编程翻译表基址、域访问控制寄存器，并建立页表。禁用时清除CP15控制寄存器特定位并关闭数据缓存。MMU启用后，内存访问遵循不同规则，如非缓存数据访问且无权限检查。

ARM架构中，页表和节描述符格式以及虚拟地址到物理地址的转换过程是关键。简单分页方案中，MMU通过查询页表完成地址翻译，涉及索引查找节描述符、域访问权限检查。更复杂的2级分页涉及多级页表查找和权限检查。

在程序启动时，ts.文件代码负责初始化LCD显示、复制向量表、设置页表并启用MMU。调用mkptable()创建虚拟地址到物理地址的映射，并配置翻译表基址寄存器和域访问控制。C6.1和C6.2程序演示了不同页面大小的内存管理，通过QEMU模拟器运行展示内存保护机制。

设置页表需创建4096条目并填充特定偏移量和权限值，如将低1MB虚拟地址映射到物理地址，并配置TTB指向新页表。在ARM嵌入式系统中，ts.文件的汇编代码通过MMU设置VA与PA对应，创建一级页表并更新TTBR。C语言程序t. c则演示了MMU支持下的C代码运行。

章节详细解释了如何使用MMU配置虚拟地址映射，包括1MB区域的一级分页和4KB页面的二级分页。通过实例展示不同虚拟地址映射方式，并通过示例程序实际操作。此外，还讨论了从使用小页面的2级分页转换为大页面的方法。

在C6.3中，汇编语言构建页表的原因被探讨，与C6.4中分阶段用C语言构建页表相比。mkPtable()函数中VA和PA的使用差异也被提及。这些内容旨在深入理解MMU及其在不同场景的应用。

6. Memory Management in ARM

在嵌入式系统中，用户模式进程的概念是至关重要的。早期的简单系统中，所有进程在同一地址空间运行，通过事件驱动执行，但缺乏内存保护机制。为了提升可靠性和安全性，每个进程需要在私有虚拟地址空间独立运行，并利用内存管理硬件（如ARM内存管理单元）实现虚拟地址映射和保护。

章节内容详细描述了如何扩展内核以支持用户模式进程和系统调用。在用户模式下，进程有自己的堆栈、程序计数器和控制状态寄存器，且可被抢占。当需要使用内核功能时，通过异常、中断或系统调用进入内核模式；完成后返回用户模式。章节还探讨了虚拟地址空间映射的不同策略，如KML（Kernel Mapped Low）和KMH（Kernel Mapped High），以及它们的优缺点。作者倾向于使用KML方案，因为它允许内核在真实地址模式下执行而无需MMU转换。

进程由PROC结构表示，包含usp、upc、ucpsr等字段保存上下文信息，并通过pgdir指向进程级页表定义虚拟地址空间。此外，PROC还有ppid和parent指针管理父子关系，以及exitCode记录退出代码，name用于存储进程名称。系统复位处理程序涉及设置堆栈、复制向量表并创建内核模式页表以启用MMU。

进程上下文切换与系统调用的关键步骤包括保存CPU寄存器、调度新进程运行，并可能切换页表以防止旧进程影响。系统调用通过`syscall()`执行，进入SVC模式由异常处理程序处理，确保状态正确。数据异常处理演示了内存保护功能。章节还涉及内核代码初始化、创建页表和分配用户/内核空间的映射。

进程创建过程包括为新进程分配内存、复制用户图像、设置父进程信息，并在堆栈中填充寄存器值。最后，新进程加入就绪队列等待执行。嵌入式系统展示了不同模型运行多个用户模式进程：独立物理内存域通过MMU隔离，共享虚拟地址空间的模型则需确保内存保护。

C7.2和C7.3程序演示了进程切换和多进程管理，其中C7.3使用RAM Disk文件系统存储可执行ELF文件。加载时，将用户模式图像复制到内存，并设置访问权限。RAM Disk支持动态加载更多User模式图像，通过EXT2文件系统管理和读写磁盘块。

操作系统中的进程管理涉及创建、终止、资源清理和父子进程通信。进程由PROC结构表示，通过fork()创建子进程并继承父进程的Umode图像，exec()替换当前图像执行新程序。wait()允许父进程等待子进程结束并获取退出码。vfork()创建共享图像的子进程，但需注意内存保护。

在支持动态进程的系统中，示例演示了如何通过main()函数使用fork、exec、wait和exit功能。sh程序标准化命令执行过程，通过fork创建子进程执行新的Umode图像。vfork算法允许快速创建子进程，但需要确保共享图像只读性。多线程系统中，每个线程有自己的栈和参数，通过睡眠或信号量同步。

章节还讨论了两种分页策略：静态2级分页预分配连续页面，动态2级分页则在运行时动态分配和释放，后者更高效但内核实现复杂。64位Linux的KMH内存映射中，用户模式图像与物理地址转换通过宏实现，内核初始化创建页目录并管理空闲页面链表。

嵌入式系统支持文件系统的步骤包括创建磁盘映像、分区、格式化为EXT2文件系统，并挂载和卸载。在ARM系统中使用SD卡，程序读取MBR显示分区信息，处理SD卡中断，并实现文件读写功能。QEMU环境下，通过booter从SDC引导加载内核并传递用户输入。

作业题目涵盖进程管理、内存管理和分页策略的实践，要求学生深入理解操作系统原理并动手实现核心功能。

7. User Mode Process and System Calls

嵌入式通用操作系统（GPOS）的设计与实现是现代计算技术中的重要课题。早期的嵌入式系统通常依赖微控制器进行基础监控和控制，但随着需求提升，更强大的软件支持变得必要。移植现有操作系统如Linux到嵌入式设备是常见策略，尤其在移动设备领域。然而，将GPOS适应不同架构的嵌入式平台可能需要对关键组件进行调整。

PMTX是一个专为Intel x86设计的小型Unix-like GPOS，适用于单CPU PC。为了使其能在ARM架构上运行，作者提出了一种方法：创建虚拟SDC作为主要存储设备，设置LCD和键盘作为输入输出接口，并使用UARTs作为串行终端。这些设计使得PMTX能够适应单CPU ARM系统，形成嵌入式操作系统（EOS）。实现过程包括配置文件、分区设定、创建loop设备并格式化为EXT2文件系统等步骤。虽然演示中采用了虚拟环境，但作者指出，经过适当I/O设备支持的ARM系统应该能运行这个EOS。

本书详细展示了从零开始构建嵌入式GPOS的过程，不仅提供理论知识，还通过实践操作指导读者理解与应用。书中深入解析了操作系统EOS的结构和功能，它包含四个定时器，其中timer0负责进程调度、服务函数以及时间基准维护。源代码以文件树形式组织，包括引导程序、内核文件、文件系统及设备驱动等部分。内核主要用C编写，支持进程管理、内存管理和EXT2文件系统。此外，EOS提供多用户登录、命令解释器和信号处理功能，并与Linux兼容。

操作系统启动涉及加载内核、初始化系统、配置中断、数据结构初始化、创建初始进程、设置页目录和页表、挂载文件系统以及调度等步骤。PROC和PRES结构体分别存储进程信息，其中PROC包含状态、资源指针和内核模式栈指针，而PRES则记录用户ID、组ID、页表信息、工作目录和信号处理程序。中断处理程序在发生中断时保存上下文，并根据来源调用相应处理函数。系统通过任务切换确保硬件中断期间的流程正确。

EOS内核设计包括进程管理（如fork函数实现进程创建）、内存管理（支持动态分页）以及进程间通信（管道和消息传递）。进程间的同步通过睡眠和唤醒机制完成，而进程创建有多种版本以适应不同需求。执行新程序图像使用kexec函数，同时内核还提供基于信号的进程间通信。

操作系统虚拟地址空间管理中，内核空间在低虚拟地址区，用户模式空间位于高地址区。启动时关闭内存管理单元，所有地址映射为物理地址便于内核代码运行。然后设置初始页表并启用MMU进行地址转换。内核和用户模式下的pgdir分别构建并初始化。

信号处理机制用于响应异常情况和进程间通信。当进程在内核模式接收到信号时，清除信号并执行预设的处理器函数，如默认动作（终止进程）、忽略或执行用户安装的捕获器。用户可以通过系统调用向目标进程发送信号，触发预装的捕获器。

设备驱动和调度是操作系统核心部分。EOS支持键盘、UARTs、定时器和SDC等设备，多数通过中断同步。进程调度采用时间片轮转和动态优先级策略，每个进程运行一段时间后切换到下一个。定时服务功能使用相对时间减少中断处理，确保高效性。

文件系统部分概述了EXT2的实现，它是Linux早期默认文件系统，强调简单性和与Linux的兼容性。EXT2的组织包括超级块、组描述符、打开表项和已挂载文件系统表。源代码按层次实现，涉及基本操作（如创建目录、读写）、文件内容处理和磁盘I/O。

操作系统中的文件输入输出函数如fopen、fread和fwrite基于系统调用构建，提供用户方便的文件操作接口。频繁内核模式切换代价高，建议每次至少读取或写入1到8KB数据以提高效率。此外，命令行工具和图形界面最终都会调用系统函数和内核功能。

EXT2文件系统的三个层次分别负责基本文件操作、高级文件内容处理和磁盘交互细节。Level-1提供创建目录、文件等操作；Level-2处理文件内容读写；Level-3涉及挂载、卸载及权限控制。

操作系统中的文件系统操作包括创建目录、普通文件、特殊文件，切换工作目录，获取路径，查询状态，删除空目录，建立和删除链接，以及符号链接的创建与读取。这些操作涉及INODE分配、数据块管理和目录项增删。

文件系统的底层实现包括Level-1的元数据操作（如stat、access等），Level-2的文件内容读写（open、read、write等）及Level-3的挂载和卸载。Level-1函数通过内存中的INODE执行任务，可能需要回写到磁盘并释放资源。Level-2负责文件内容的I/O操作，如打开、关闭、移动指针和数据读写。

操作系统中的文件系统操作涵盖读取、写入、打开目录和读取目录等，涉及逻辑块到物理块转换、数据块管理以及特殊文件的处理。挂载和卸载文件系统及路径名处理也在此过程中扮演重要角色。

Unix中，文件系统的运作机制包括路径名遍历、权限检查和文件锁定。路径名遍历时，如果遇到已挂载节点，则通过mountTable找到对应挂载表继续搜索。每个文件的INODE有权限字段，用于根据进程uid和gid进行访问控制。此外，文件锁定机制防止更新文件时的竞态条件。

操作系统中的I/O缓冲缓存提高块设备上的文件操作效率。通过初始化256个缓冲区并管理状态，进程在读写SDC数据时能更高效地获取和释放缓冲区。中断处理程序负责处理SDC I/O完成，并根据情况更新缓冲区状态。

最后，介绍了块设备I/0缓冲管理算法，包括从空闲列表分配和释放缓冲区、管理与SDC分区关联的设备表以及处理读写请求的过程。当缓冲区标记为脏时，只有在重新分配给不同块时才会回写到SDC。

8. General Purpose Embedded Operating Systems

嵌入式和实时操作系统中的 multiprocessing 概念在多处理器系统中扮演重要角色。这些系统可能包含多种类型的处理器，如多核处理器，它们共享主内存和输入/输出设备。根据处理器的特性，可以划分为 UMA、NUMA、ASMP 和 SMP 等类型。随着技术发展，SMP（对称多处理）几乎成为 MP（多处理）的同义词，特别在基于 ARM 的系统中。

构建 SMP 系统时，除了多个处理器或核心，还需要满足特定的系统架构要求，包括缓存一致性、中断路由和处理器间通信。例如，在 ARM 平台上，使用 Snoop Control Unit 保证缓存的一致性，Generic Interrupt Controller 负责中断分配，而 Software Generated Interrupts 则作为处理器间的通信手段。系统启动时，一个 CPU（BSP）负责初始化，其他 CPU（AP）则等待唤醒。

SMP 系统的设计涉及硬件和软件的多个细节，确保多处理器协同工作并高效运行。在 ARM Realview Baseboard 中，标准外设如 UART、LCD、键盘和多媒体接口得到支持。QEMU 虚拟机常用于学习多处理器（SMP）系统理论，特别是针对 ARM Cortex- A9 MPcore 的 Realview- PBX- A9 虚拟机。

Cortex-A9 MPcore 处理器具有1到4个处理核心，并通过snoop控制单元保证L1缓存的一致性。通用中断控制器（GIC）管理中断，确保它们能正确路由到特定CPU。示例程序展示了如何配置GIC以处理来自 UART、键盘和定时器的中断。

系统启动时，所有CPU从向量地址0开始执行，其中CPU0作为引导处理器（BSP），初始化系统并激活其他应用处理器（AP）。APs等待BSP发送软件生成的中断（SGI）唤醒。QEMU虚拟机在SMP系统启动中扮演引导程序角色，负责放置APs进入待机状态，并在BSP准备好后通过SYS_FLAGSSET寄存器激活它们。

示例代码详细展示了基于ARM的多处理器系统的启动和管理过程，包括从最基础的启动代码到复杂的系统初始化。这些例子使用QEMU模拟的RealView- PBX- A9 VM作为平台，帮助读者理解SMP系统的复杂操作。

在多处理器系统中，中断处理涉及GIC（全局中断控制器），每个中断ID有对应的使能、优先级和目标CPU设置。通过特定算法，可以在正确的寄存器中配置这些信息。例如，启用某个中断需要找到相应的使能寄存器并设置指定位，设置中断优先级和目标CPU也遵循类似方法。

系统启动时，CPU0初始化堆栈和向量表，并配置GIC以处理来自UART0、timer0的中断。完成后，CPU0将APs的启动地址写入SYS_FLAGSSET寄存器，并发送SGI唤醒其他CPU。AP在启动时跳过初始化部分，仅设置堆栈并调用APstart进入等待状态。

在SMP系统中，关键区域（CR）是只能由一个进程执行的操作序列，用于实现进程互斥。为确保原子操作，多处理器的CPU支持测试并设置（TS）指令，保证对共享变量的操作不可分割。此外，ARM提供了数据内存屏障、数据同步屏障和指令同步屏障来控制内存操作顺序，确保进程间的协调。

SMP系统中，同步机制至关重要，如使用自旋锁确保APs按照预期顺序执行，避免资源竞争。更复杂的互斥量（mutex）包含锁定/解锁机制和所有权概念，防止误用。通过示例程序展示了自旋锁和互斥量在SMP启动过程中的应用。

多处理器核心系统中，全局定时器和本地定时器各有用途：全局定时器适用于所有CPU，而每个CPU的32位本地定时器用于独立操作。代码演示如何配置并使用本地定时器显示基于各自时间的墙钟，并利用互斥锁避免共享资源冲突。

进程切换通常由中断触发，在P和V函数中，处理机首先禁用中断防止切换。获取信号量自旋锁后，阻止其他处理机进入临界区。P操作减小信号量值，若非负则返回；若变为负数，则将进程阻塞。V操作增加信号量值，并在值为负时唤醒一个阻塞的进程。

SMP系统中配置ARM MMU有两种内存管理模型：统一虚拟地址空间和非统一虚拟地址空间。前者所有CPU共享VA到PA映射，后者允许每个CPU独立地映射同一VA范围到不同PA。通过示例展示了如何初始化级-1页表并确保虚拟地址一致性。

在非均匀虚拟地址空间中，每个AP显示不同字符串，展示不同CPU在其私有内存区域执行进程时，必须保护共享全局变量的更新操作。并行计算系统示例中，CPU0将数字放入各AP的私有内存，启用MMU后，每个CPU通过相同虚拟地址访问其内存，并计算区域内数字和。当一个CPU计算出局部部分和，它会将其添加到全局总和，确保共享变量的安全更新。

在SMP系统中，多任务技术利用所有CPU执行任务，进程可以在内核模式和用户模式之间切换。为避免竞态条件破坏内核数据结构，在SMP系统中需要使用虚拟内存或多个进程指针来保护数据结构。

操作系统实现从单处理器扩展到支持多处理器环境，涉及进程管理策略和技术，如进程创建、调度和销毁，以及分页机制和同步原语的使用。设备驱动程序在SMP系统中的设计原则包括处理中断驱动设备中进程与中断处理程序之间的同步问题。

SMP_ EOS是一个专为ARM架构设计的多处理器操作系统，基于单处理器版本的EOS并适应多处理机环境。它能在支持ARM MPcore硬件平台上运行，如Realview-pbx- a9 VM。系统功能包括进程管理、EXT2文件系统和设备驱动程序，如LCD显示、定时器、键盘、串口等。

SMP_ EOS采用PROC结构表示进程，使用自旋锁和信号量保护数据结构，在多处理器环境下确保并发性和数据一致性。操作系统提供命令解释器sh，支持命令执行、管道连接、I/O重定向，并包含内部定时器服务和进程间通信机制。

在SMP环境下，操作系统通过自旋锁或锁定信号量保护数据结构，预防死锁采用策略保证锁定顺序单向，避免循环等待。系统还通过独立的空闲进程列表实现并发的进程创建和结束管理，提升性能。

总之，本文详细介绍了嵌入式多处理器操作系统中的关键概念和技术细节，如缓存一致性、中断处理、同步机制、内存管理和多任务执行，以及在ARM架构下的具体应用实例。

9. Multiprocessing in Embedded Systems

实时操作系统（RTOS）设计用于满足严格时间要求的应用，它需要对外部事件做出快速响应并在限定时间内完成服务。为此，RTOS通常具备以下特性：低中断延迟、短关键区执行、抢占式任务调度以及高级的任务调度算法。

在RTOS中，任务调度策略着重于确保快速响应和保证任务的截止时间，优先级高的任务会优先执行。主要的调度算法有基于静态优先级的率单调调度（RMS）和最早截止时间优先（EDF）。RMS假设任务周期固定、优先级不变且不共享资源，通过计算CPU利用率来判断可调度性；而EDF则允许任务具有确定的截止日期，并始终执行最近截止的任务。尽管EDF在高负载下能保证更多任务满足截止时间，但实现复杂，过载时哪些任务会错过截止不如RMS明确。

另一种调度策略是 deadline- monotonic 调度（DMS），它比RMS更通用，允许任务的截止日期小于或等于其周期。DMS根据任务的截止日期分配优先级，并在运行时使用抢占式优先级调度。当截止日期和周期相等时，DMS退化为RMS。

RTOS面临的一个挑战是优先级反转问题，即低优先级任务持有资源导致高优先级任务无法执行，可能错过其截止时间。解决这个问题的策略有优先级天花板和优先级继承。前者设定每个资源的优先级上限，当任务获取资源时提升其优先级；后者在任务持有资源时，如果高优先级任务请求同一资源，则临时提升持有资源任务的优先级。

实时操作系统MicroC/OS（uC/OS）是一个针对微处理器设计的抢占式多任务内核，支持静态优先级调度。它不内置内存保护，但允许用户定义固定大小的内存块进行管理。同步机制包括事件控制块、信号量、邮箱和消息队列。而NuttX则遵循POSIX标准，提供类似API的任务创建，并支持FIFO或RR（轮询）调度策略。NuttX还提供了带优先级继承的计数信号量和基于POSIX的消息队列。

QNX是一个微内核系统，强调轻量化和高效性，支持进程间通信，通过消息传递交换信息。它优化了消息发送和等待回复，实现高效通信，并根据线程优先级进行调度。此外，VxWorks和RTLinux是专有的RTOS，前者提供多任务调度、同步机制和文件系统支持；后者允许实时任务与标准Linux共存，通过仿真软件层处理硬件中断。

尽管RTOS旨在满足硬实时需求，但并不能保证所有任务严格遵守截止时间。评估RTOS性能依赖于对中断处理、资源共享和调度开销的分析。设计时应考虑嵌套中断支持，并根据硬件特性选择在中断处理程序内或作为优先级高于普通任务的伪任务处理。

通用的设计原则包括使用静态任务、基于优先级抢占式调度，以及简单的同步工具如互斥锁和信号量。避免虚拟地址映射，实施基本内存分配策略，并推荐使用RAM盘作为文件系统。提供 tracing 和调试功能监控任务执行。

UP_RTOS是一个实时操作系统内核，支持多任务调度、管道通信和日志记录等功能。它使用互斥锁保护临界区，通过创建专门的日志任务处理文件系统和日志，确保实时性。示例程序展示了不同调度策略下的应用实例。

在ARM CPU中，处理嵌套中断需要在IRQ模式下切换到SVC模式，并根据中断嵌套计数器决定是否继续处理中断或进行任务切换。

C10.2程序是UP_RTOS的静态周期任务与抢占式调度示例，展示了即使遵循RMS原则设计，也不能保证所有任务满足截止时间，预抢占调度在实际系统中更具挑战性。

实时操作系统C10.3演示了动态任务共享资源的情况，使用优先级继承互斥锁防止反转，并通过抢占式静态优先级调度。代码展示了抢占关键函数如V操作和kfork，以及P、V操作和互斥锁的管理。

SMP_RTOS是多处理器实时操作系统，支持任务管理、预抢占调度、嵌套中断和优先级继承。它简化了任务结构，删除虚拟地址空间等，并在CPU0初始化设备驱动、配置GIC并启动APs后，每个AP执行特定任务。C10.4示例程序展示了SMP_RTOS中的任务创建和管理。

实时操作系统中，进程管理涉及状态枚举、结构体定义以及进程链表的维护。调度算法负责任务负载平衡，kfork用于创建新进程，P和V操作实现信号量同步，而kexit处理进程退出。代码展示了这些核心功能的实现细节。

SMP_RTOS在UP_RTOS基础上扩展了多处理器支持，通过任务调度、中断处理实现在多个CPU上运行任务。每个AP初始化后执行初始任务，并通过本地定时器唤醒阻塞任务。系统使用信号量进行同步，而嵌套中断在ARM MPcore中通过GIC实现。

MP_RTOS操作系统展示了多处理器环境下的任务管理和调度能力，通过发送SGI实现任务切换，支持优先级和时间片轮转调度策略，以及嵌套中断处理机制。

SMP_RTOS操作系统的功能包括多任务管理、抢占式调度、嵌套中断处理和优先级继承。它使用SGI进行多处理器同步，并支持共享内存和消息传递通信方式。通过C10.9示例程序展示了系统的综合应用。

综上所述，实时操作系统的设计需考虑快速响应、任务截止时间保证以及解决优先级反转等问题。它们在不同应用场景中采用不同的调度策略，如RMS、EDF和DMS，并通过嵌套中断处理、同步机制和多处理器支持来优化性能。

10. Embedded Real-Time Operating Systems

ARM体系结构是嵌入式系统中的关键组成部分，它包括处理器模式、中断处理机制以及内存管理策略。深入理解这些概念对于设计高效和稳定的系统至关重要。在处理器模式方面，ARM定义了多种工作状态，如用户模式、系统模式和异常（中断）模式，每种模式下处理器的行为和权限都不同，这种设计有助于保证系统的安全性和稳定性。

中断处理是操作系统中的一个重要环节，它允许硬件设备在需要时打断CPU的正常执行流程，请求服务。ARM提供了中断向量表来管理这些中断，并且支持优先级抢占，确保关键任务能够及时得到响应。

内存管理则是通过分页或分段等方式，将物理内存划分为独立的区域，为每个进程分配独立的地址空间，实现资源隔离和权限控制。ARM的内存管理系统（MMU）支持虚拟地址到物理地址的转换，使得程序可以使用比实际物理内存更大的逻辑地址空间。

此外，这段内容还提到了计算机底层工作原理的其他方面，如操作系统原理或嵌入式系统相关知识。这些信息对于理解计算机如何执行指令、管理资源和与硬件交互至关重要。深入学习这些原理可以帮助读者设计出性能优化且健壮的软件系统，无论是对于开发桌面应用还是嵌入式设备都大有裨益。

在计算机底层工作原理的学习中，书籍章节是宝贵的资源。它们通常会详细解释各种算法和技术如何实现，并通过实例和练习帮助读者巩固理解。同时，结合实践项目，将理论知识应用于实际问题的解决，也是提升技能的有效方式。

总之，这段内容涵盖了从硬件中断处理到软件内存管理等多个计算机科学领域的知识点，对于想要深入理解计算机工作原理的人来说，具有很高的学习价值。无论是初学者还是经验丰富的开发者，都可以从中获益，不断提升自己的技术能力。