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【嵌入式开发】使用Linux系统调用编程练习

news 来源：原创 2025/8/24 10:45:53

一、进程和线程的概念及基础用法

在Linux系统中，进程（Process）和线程（Thread）是操作系统进行任务调度的基本单位，它们既有联系又有区别。

1.1 进程和线程介绍

1.1.1 进程（Process）

定义：

进程是程序的一次执行实例，是操作系统资源分配的基本单位。每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符、环境变量等资源。
特点：

（1）独立性：进程之间相互隔离，一个进程崩溃通常不会直接影响其他进程（通过进程间通信（IPC）才能交互）。

（2）资源开销大：创建、销毁或切换进程时，需要分配或回收内存、文件句柄等资源，成本较高。

（3）上下文切换：进程切换需要保存和恢复完整的运行环境（如寄存器、内存映射等），速度较慢。
Linux实现：

（1）通过 fork() 系统调用创建子进程（写时复制技术优化性能）。

（2）进程描述符为 task_struct（内核数据结构），所有进程通过树形结构组织（ init 进程为根）。

1.1.2 线程（Thread）

定义：

线程是进程内的执行单元，是CPU调度的基本单位。同一进程的多个线程**共享进程的资源**（如内存、文件描述符），但拥有独立的栈和寄存器。
特点：

（1）轻量级：创建、切换线程的开销远小于进程，因为无需分配新地址空间或资源。

（2）共享资源：线程间可直接访问共享数据（需同步机制如互斥锁避免竞态条件）。

（3）协作性：一个线程崩溃可能导致整个进程终止（共享同一地址空间）。
Linux实现：

（1）线程通过 pthread_create()（POSIX线程库）创建，内核视角中线程被称为轻量级进程（LWP）。

（2）线程与进程使用相同的`task_struct`描述符，通过共享资源（如`mm_struct`内存描述符）区分。

1.1.3 进程 vs 线程（关键区别）

特性	进程	线程
资源分配	独立地址空间和系统资源	共享进程资源
创建/切换开销	高	低
通信方式	IPC（管道、信号、共享内存等）	直接读写共享变量（需同步）
健壮性	一个进程崩溃不影响其他进程	一个线程崩溃可能导致进程终止
并发性	多进程可跨CPU核心并行	多线程可并行（同一进程内）

1.1.4 Linux的独特实现

线程与进程的统一：

Linux内核不严格区分线程和进程，线程被视为共享资源的进程（通过clone()系统调用指定共享级别，如CLONE_VM共享地址空间）。

调度方式：

线程和进程均由内核调度器统一调度（Linux线程是内核线程，而非用户态线程）。

查看命令：
ps -ef：查看进程列表。

ps -eLf：查看进程及其线程（LWP列显示线程ID）。

top -H：显示线程级别的CPU占用。

1.2 基础用法练习

1.2.1 查看系统中各进程的编号pid

在Linux系统中，PID（Process ID/进程ID）是操作系统分配给每个运行进程的唯一数字标识符。

通过以下命令可以查看系统中各进程的编号pid：

ps -a

显示的进程编号

其中PID是进程的唯一标识符，比如2150507是ps的进程ID；TTY是进程关联的终端；CMD是进程对应的命令。

1.2.2 终止一个进程pid

终止进程是操作系统提供的“紧急制动”机制，本质是在资源有限、程序不完美的现实条件下，保障系统可控性的必要手段。合理使用终止操作是Linux系统管理的基本技能。

方式如下（优先SIGTERM，慎用SIGKILL）：<PID>

信号	作用	使用场景
SIGTERM (15)	请求进程正常退出（允许清理）	优雅关闭服务（ kill <PID>）
SIGKILL (9)	强制立即终止（不可捕获或忽略）	进程无响应时（kill -9 <PID>）

首先创建一个用于测试的进程：

sleep 100 &

使用ps -a再次查看系统进程：

可以看到成功添加测试进程

通过以下命令终止一个进程pid：

测试进程已终止

二、Linux的虚拟内存管理/stm32的真实物理内存（内存映射）

2.1 Linux的虚拟内存管理

核心概念：
- 虚拟内存（Virtual Memory）：

（1）每个进程拥有独立的虚拟地址空间（32位系统通常为4GB，64位系统更大），与物理内存分离。
（2）由MMU（Memory Management Unit）负责虚拟地址到物理地址的转换（页表映射）。
（3）支持分页（Paging）机制，内存按固定大小（如4KB）划分管理。

- 核心机制：

（1）地址转换：CPU访问虚拟地址 → MMU查询页表 → 映射到物理内存或磁盘（Swap）。
（2）内存保护：不同进程的虚拟空间隔离，防止非法访问。
（3）按需分配：物理内存仅在访问时分配（如 malloc() 申请内存后，实际使用时触发缺页异常）。
（4）Swap交换：当物理内存不足时，将不活跃的页面换出到磁盘。

优势：

（1）进程隔离：防止进程间内存冲突。
（2）大地址空间：程序可使用的内存远超物理内存大小（依赖Swap）。
（3）内存共享：动态库、文件映射（mmap）等可共享同一物理内存。
（4）安全性：通过权限位（读/写/执行）控制内存访问。

典型场景：

// Linux 程序申请内存（虚拟内存）
char *buf = malloc(1GB);  // 仅分配虚拟地址，物理内存尚未占用
buf[0] = 'A';             // 触发缺页异常，分配物理页

2.2 STM32 真实物理内存（内存映射）

核心概念：
- 物理内存直接访问：

（1）STM32（Cortex-M系列）通常无MMU，CPU直接访问物理地址。
（2）内存划分由链接脚本（.ld文件）静态定义（如Flash、SRAM、外设寄存器区域）。
（3）外设寄存器通过内存映射I/O（Memory-Mapped I/O, MMIO）访问。

- 关键特点：

（1）无虚拟地址：所有地址均为物理地址（如SRAM地址 0x20000000）。
（2）静态分配：编译时确定变量和代码的内存位置（无运行时动态映射）。
（3）无内存保护：错误访问（如越界）直接导致硬件错误（HardFault）。
（4）无Swap：物理内存大小即极限（无法扩展）。

内存布局示例（Cortex-M）：

地址范围	用途
`0x00000000`	Flash（程序代码）
`0x20000000`	SRAM（运行时数据）
`0x40000000`	外设寄存器（GPIO、UART等）

典型场景：

// STM32 直接操作物理地址
volatile uint32_t *gpio_a = (uint32_t*)0x40020000;  // GPIOA寄存器地址
*gpio_a |= 0x01;  // 直接写物理内存（控制外设）

2.3 主要区别对比

特性	Linux虚拟内存	STM32物理内存
地址空间	虚拟地址（MMU转换）	物理地址（直接访问）
内存管理	动态分页、Swap	静态分配（链接脚本定义）
隔离性	进程间隔离（安全性高）	无隔离（直接操作硬件）
外设访问	通过设备驱动（`/dev`或`mmap`）	直接MMIO（操作寄存器）
动态内存分配	支持（`malloc`/`free`）	需手动管理（如静态数组或堆分配）
适用场景	通用计算（多任务、复杂OS）	实时嵌入式系统（低延迟、确定性）

2.4 关键差异分析

(1) 灵活性 vs 确定性
Linux：

1）灵活性强，适合多任务、复杂应用。
2）但地址转换和缺页处理引入不确定性（不适合硬实时系统）。
STM32：

1）无MMU开销，访问延迟确定（适合实时控制）。
2）但需开发者手动管理内存，易出错（如栈溢出直接崩溃）。

(2) 内存扩展能力
Linux：通过Swap扩展可用内存（牺牲性能）。

STM32：物理内存固定（如64KB SRAM），无法扩展。

(3) 外设访问方式
Linux：外设需通过内核驱动（如 write()操作设备文件）。

STM32：直接读写寄存器（如 GPIOA = 1），效率极高。

2.5 总结

Linux虚拟内存：面向通用计算，提供隔离性、安全性和大内存支持，但牺牲实时性。需要多任务、安全隔离时进行选择。

STM32物理内存：为实时嵌入式设计，直接操作硬件，高效但缺乏保护机制。需要低延迟、确定性控制时进行选择。

三、 Linux系统调用函数练习---fork()、wait()、exec()

3.1 三种函数介绍

在 Linux 系统中，fork()、wait() 和 exec() 是进程管理的核心函数，用于创建新进程、控制进程执行和进程间同步。

3.1.1 fork() - 创建子进程

功能：
（1）复制当前进程，创建一个几乎完全相同的子进程。
（2）子进程获得父进程的代码段、数据段、堆栈、文件描述符等副本（采用写时复制（Copy-On-Write, COW）优化，初始时共享内存，只有修改时才真正复制）。
（3）调用一次，返回两次：
- 父进程返回 子进程的 PID（>0）。
- 子进程返回 0（若失败返回 -1）。

3.1.2 exec() - 替换进程映像

功能：
（1）替换当前进程的代码和数据，加载并执行一个新程序（如 /bin/ls）。
（2）调用成功后，原进程的代码不再执行，被新程序完全替代。
（3）若失败则返回 -1（原进程继续执行）。

常见函数族：

函数	特点
`execl()`	参数列表（可变参数）
`execv()`	参数数组（`char *argv[]`）
`execle()`	可指定环境变量
`execvp()`	自动从 `PATH` 查找程序

3.1.3 wait() - 等待子进程结束

功能：
（1）父进程阻塞等待子进程终止，并回收其资源（避免僵尸进程）。
（2）获取子进程退出状态（通过 status 参数）。
（3）若没有子进程，则立即返回 -1。

常见函数：

函数	特点
`wait(int *status)`	等待任意子进程结束
`waitpid(pid_t pid, int *status, int options)`	等待指定子进程，支持非阻塞

3.2 函数调用练习

3.2.1 Xterminal

使用命令创建homework文件夹：

mkdir ~/homework && cd ~/homework

在homework文件夹中使用 vi 命令编辑一个c代码：

vi syscall_example.c

测试代码如下，在命令行输入 ：wq 保存代码文件并退出：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程：替换为 ls -l 命令printf("Child process (PID=%d) is running 'ls -l'...\n", getpid());execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);  // 调用 execperror("exec failed");  // 只有 exec 失败时才会执行return 1;} else {// 父进程：等待子进程结束printf("Parent process (PID=%d) waiting for child...\n", getpid());int status;wait(&status);  // 等待子进程if (WIFEXITED(status)) {printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

关键步骤解析（三种函数结合）：

fork()：父进程继续执行 else 分支，子进程执行 if (pid == 0) 分支。

exec()：子进程调用 execl() 替换为 ls -l 命令，原代码不再执行。

wait()：父进程阻塞，直到子进程结束，并通过 WEXITSTATUS 获取退出码（0 表示成功）。

在终端界面使用gcc编译代码：

gcc syscall_example.c -o syscall_example

运行程序：

./syscall_example

结果展示：

3.2.2 树莓派

步骤与Xterminal一致，但是这里使用nano命令进行c文件编辑，因为树莓派默认安装了nano：