本章詳細(xì)講解了Linux中進(jìn)程間通信的幾種機(jī)制,包括管道通信、信號(hào)通信、消息隊(duì)列、信號(hào)量以及共享內(nèi)存機(jī)制等,并且講解了進(jìn)程間通信的演進(jìn)。
前面已經(jīng)提到,進(jìn)程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的數(shù)據(jù)段、代碼段和堆棧段,這就造成了進(jìn)程在進(jìn)行切換等操作時(shí)都需要有比較復(fù)雜的上下文切換等動(dòng)作。為了進(jìn)一步減少處理機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間,支持多處理器以及減少上下文切換開銷,進(jìn)程在演化中出現(xiàn)了另一個(gè)概念——線程。
“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問題是一個(gè)著名的同時(shí)性編程問題的集合。通過學(xué)習(xí)經(jīng)典的“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問題的實(shí)驗(yàn),讀者可以進(jìn)一步熟悉Linux中的多線程編程,并且掌握用信號(hào)量處理線程間的同步和互斥問題。
讀者一定都聽說過著名的OSI協(xié)議參考模型,它是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的建議發(fā)展起來的,從上到下共分為7層:應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。這個(gè)7層的協(xié)議模型雖然規(guī)定得非常細(xì)致和完善,但在實(shí)際中卻得不到廣泛的應(yīng)用,其重要的原因之一就在于它過于復(fù)雜。
本章首先介紹了線程的基本概念、線程的分類和特性以及線程的發(fā)展歷程。
在Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程是通過socket接口來進(jìn)行的。人們常說的socket是一種特殊的I/O接口,它也是一種文件描述符。socket是一種常用的進(jìn)程之間通信機(jī)制,通過它不僅能實(shí)現(xiàn)本地機(jī)器上的進(jìn)程之間的通信,而且通過網(wǎng)絡(luò)能夠在不同機(jī)器上的進(jìn)程之間進(jìn)行通信。
在實(shí)際情況中,人們往往遇到多個(gè)客戶端連接服務(wù)器端的情況。由于之前介紹的如connet()、recv()和send()等都是阻塞性函數(shù),如果資源沒有準(zhǔn)備好,則調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程將進(jìn)入睡眠狀態(tài),這樣就無法處理I/O多路復(fù)用的情況了。本節(jié)給出了兩種解決I/O多路復(fù)用的解決方法,這兩個(gè)函數(shù)都是之前學(xué)過的fcntl()和select()。
通過實(shí)現(xiàn)NTP協(xié)議的練習(xí),進(jìn)一步掌握Linux網(wǎng)絡(luò)編程,并且提高協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)能力,為參與完成綜合性項(xiàng)目打下良好的基礎(chǔ)。
本章首先概括地講解了OSI分層結(jié)構(gòu)以及TCP/IP協(xié)議各層的主要功能,介紹了常見的TCP/IP協(xié)議族,并且重點(diǎn)講解了網(wǎng)絡(luò)編程中需要用到的TCP和UDP協(xié)議,為嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)編程打下良好的基礎(chǔ)。
操作系統(tǒng)是通過各種驅(qū)動(dòng)程序來駕馭硬件設(shè)備的,它為用戶屏蔽了各種各樣的設(shè)備,驅(qū)動(dòng)硬件是操作系統(tǒng)最基本的功能,并且提供統(tǒng)一的操作方式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分,硬件驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)最基本的組成部分,在Linux內(nèi)核源程序中也占有60%以上。因此,熟悉驅(qū)動(dòng)的編寫是很重要的。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以使用模塊的方式動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中去。加載模塊的方式與以往的應(yīng)用程序開發(fā)有很大的不同。以往在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)都有一個(gè)main()函數(shù)作為程序的入口點(diǎn),而在驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)卻沒有main()函數(shù),模塊在調(diào)用insmod命令時(shí)被加載,此時(shí)的入口點(diǎn)是init_module()函數(shù),通常在該函數(shù)中完成設(shè)備的注冊(cè)。
Qt/Embedded以原始Qt為基礎(chǔ),并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。Qt/Embedded通過Qt API與Linux I/O設(shè)施直接交互,成為嵌入式Linux端口。同Qt/X11相比,Qt/Embedded很省內(nèi)存,因?yàn)樗恍枰粋€(gè)X服務(wù)器或是Xlib庫,它在底層拋棄了X lib,采用framebuffer)作為底層圖形接口
FS2410開發(fā)板的S3C2410處理器具有117個(gè)多功能通用I/O(GPIO)端口管腳,包括GPIO 8個(gè)端口組,分別為GPA(23個(gè)輸出端口)、GPB(11個(gè)輸入/輸出端口)、GPC(16個(gè)輸入/輸出端口)、GPD(16個(gè)輸入/輸出端口)、GPE(16個(gè)輸入/輸出端口)、GPF(8個(gè)輸入/輸出端口)、GPH(11個(gè)輸入/輸出端口)。
前面所講述的驅(qū)動(dòng)程序中都沒有涉及中斷處理,而實(shí)際上,有很多Linux的驅(qū)動(dòng)都是通過中斷的方式來進(jìn)行內(nèi)核和硬件的交互。中斷機(jī)制提供了硬件和軟件之間異步傳遞信息的方式。硬件設(shè)備在發(fā)生某個(gè)事件時(shí)通過中斷通知軟件進(jìn)行處理。中斷實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備按需獲得處理器關(guān)注的機(jī)制,與查詢方式相比可以大大節(jié)省CPU資源的開銷。
LED和蜂鳴器是最簡(jiǎn)單的GPIO的應(yīng)用,都不需要任何外部輸入或控制。按鍵同樣使用GPIO接口,但按鍵本身需要外部的輸入,即在驅(qū)動(dòng)程序中要處理外部中斷。按鍵硬件驅(qū)動(dòng)原理圖如圖11-7所示。
該實(shí)驗(yàn)是編寫最簡(jiǎn)單的字符驅(qū)動(dòng)程序,這里的設(shè)備也就是一段內(nèi)存,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的讀寫功能,并列出常用格式的Makefile以及驅(qū)動(dòng)的加載和卸載腳本。讀者可以熟悉字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整個(gè)編寫流程。
本章主要介紹了嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。首先介紹了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的概念及Linux對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的處理,這里要明確驅(qū)動(dòng)程序在Linux中的定位。
目前的桌面機(jī)操作系統(tǒng)大多有著美觀、操作方便、功能齊全的GUI(圖形用戶界面),例如KDE或者GNOME。GUI(圖形用戶界面)是指計(jì)算機(jī)與其使用者之間的對(duì)話接口,可以說,GUI是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的重大成就。它的存在為使用者提供了友好便利的界面,并大大地方便了非專業(yè)用戶的使用,使得人們從繁瑣的命令中解脫出來,可以通過窗口、菜單方便地進(jìn)行操作。
通過編寫一個(gè)跳動(dòng)的“Hello,World”字符串,進(jìn)一步熟悉嵌入式Qt的開發(fā)過程。
這里要講的線程相關(guān)操作都是用戶空間中的線程的操作。在Linux中,一般pthread線程庫是一套通用的線程庫,是由POSIX提出的,因此具有很好的可移植性。