鲲鹏开发板3个openEuler实验

注：难度的取值范围是1-10分，分数越高越难。

I 实验设备

本文3个和openEuler操作系统相关的3个实验将基于“鲲鹏开发板 + VS Code”进行。其中VS Code为系统镜像所自带，而鲲鹏开发板的规格如下所示：

• 产品名称：OrangePi Kunpeng Pro
• 操作系统：openEuler 22.03
• 内存大小：8GB/16GB
• CPU：4核64位ARM处理器，1.6GHz

II 如何登录到开发板

如上图所示，登录到鲲鹏开发板的方式有二：

• 使用PC登录开发板

  • PC通过以太网和开发板相连，则：
    • 在PC的Console命令行终端中通过ssh命令登录系统；
    • 通过VNC（Virtual Network Computing）登录系统✅。
  • PC通过串口（Serial）和开发板相连，则：
    • 注意设置与鲲鹏开发板串口相同的波特（Baud，symbol/s），这里为115200bps；
    • 通过“MobaXterm”软件选择使用串口（Serial)登录系统。

• 开发板+显示器+键盘+鼠标相连

  • 可以直接登录开发板✅。

由于本次实验我们需要登录到开发板上操作系统的桌面以使用VS Code，所以我们选择通过VNC或“开发板+显示器+键盘+鼠标”直连的方式登录。

III 实验准备

登录系统

🔒🗝 安全

为系统安全起见，我们一般以非root用户登录，在这里我们以openEuler用户登录系统，其密码也是“openEuler”。

在运行需要root权限的命令时，要使用sudo命令，例如：

sudo rm -r /root/tmp
[sudo] openEuler 的密码：

系统会提示输入密码，而输入密码时不会有任何回显。

我们开机并登录到开发板的桌面后如下图所示：

打开 VS Code IDE

现在我们可以以鼠标左键单击“活动”按钮并在弹出来的菜单中单击VS Code（Visual Studio Code）图标以启动这个IDE：

然后我们可以按下“Ctrl+`”（后者和“~”键在一个物理位置上）以打开VS Code里的终端窗口（再次按下这两个键会关闭该窗口）：

我们可以在终端窗口里运行以下命令以检查我们的身份：

whoami # i.e. openEuler

随后进入到我们的工作目录（这里假设是“~/kdb”，如果没有这个目录可以用mkdir命令创建它）：

cd ~/kdb # or `mkdir kdb && cd $_`

当要创建一个新的C程序文件的时候可以运行以下命令：

code code.c

这个命令会创建一个名为“code.c”（这个名称只是一个示例）的文件，并将键盘输入焦点指向它，如果要保存该文件，可以按“Ctrl+s”（如果不保存则不会真正创建该文件）。

💡 扩展知识
在VS Code的编辑窗口中，按下“Ctrl+w”以关闭该编辑窗口，按下“Ctrl+o”用以打开一个文件。

IV 三个实验

现在我们就可以做实验了，本次实验有三，您可以任选一个或几个进行实验。

实验一 获取系统信息

所有的软件都在一定的系统环境上运行，本次实验我们一窥运行在鲲鹏处理器之上的openEuler操作系统的系统环境。

💡 扩展知识

• 鲲鹏处理器是华为基于ARMv8架构开发的通用处理器。作为一款现代处理器，在芯片内部架构中，鲲鹏处理器涉及到了体系结构中的SoC、Chip、DIE、Cluster以及Core等概念，从而组成了一个复杂的综合体。
• openEuler既是一个操作系统，又是一个开源、免费的Linux发行平台，其致力于打造中国原生开源、可自主演进操作系统根社区。作为操作系统，当前openEuler内核源于Linux，支持鲲鹏及其他多种处理器。

我们可以通过Linux shell命令查看系统信息。

快速获取系统基本信息

uname是Linux系统中用于获取系统信息的命令，其名称来源于"Unix Name"。

🎵 代码示例

uname -m # aarch64
uname -r # i.e. 5.10.0+
uname -a # ...... aarch64 GNU/Linux

以上一系列uname命令分别查看了系统的CPU架构、操作系统内核版本及其他信息。

获取CPU详细信息

lscpu是Linux系统中用于显示CPU架构和详细信息的命令。它从“/proc/cpuinfo”文件中提取信息，并以易于阅读的格式展示CPU的相关配置和特性。

🎵 代码示例

lscpu

其可能的输出是：

Architecture:           aarch64
  CPU op-mode(s):       64-bit
  Byte Order:           Little Endian
CPU(s):                 4
  On-line CPU(s) list:  0-3
...

查看操作系统版本

🎵 代码示例

cat /etc/os-release

可能的显示结果是：

NAME="openEuler"
VERSION="22.03 (LTS-SP4)"
ID="openEuler"
VERSION_ID="22.03"
PRETTY_NAME="openEuler 22.03 (LTS-SP4)"
ANSI_COLOR="0;31"

从上面的版本信息“22.03 LTS SP4”可以看出，这是openEuler的一个长期支持版（Long-Term Support），于2022年3月发布，目前已经到了第4个服务包（Service Pack 4）。

进行实验

该实验是编写一个C程序以获取openEuler操作系统上CPU、操作系统的基本信息。

🎵 代码示例

/*
 * sysinfo.c
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 函数声明
void get_cpu_info();
void get_os_info();

int main() {
    printf("=== CPU 信息 ===\n");
    get_cpu_info();
    printf("\n=== 操作系统信息 ===\n");
    get_os_info();
    return 0;
}

// 获取CPU信息
void get_cpu_info() {
    FILE *fp;
    char buffer[128];

    // 打开/proc/cpuinfo文件
    fp = fopen("/proc/cpuinfo", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("无法打开 /proc/cpuinfo");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取CPU信息
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp)) {
        if (strstr(buffer, "CPU architecture")) {
            printf("处理器架构: ARMv%s", strchr(buffer, ':') + 2);
            break;
        }
    }

    fclose(fp);
}

// 获取操作系统信息
void get_os_info() {
    FILE *fp;
    char buffer[128];

    // 打开/etc/os-release文件
    fp = fopen("/etc/os-release", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("无法打开 /etc/os-release");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取操作系统名称
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp)) {
        if (strstr(buffer, "PRETTY_NAME")) {
            printf("操作系统名称: %s", strchr(buffer, '=') + 2);
            break;
        }
    }

    fclose(fp);

    // 打开/proc/version文件
    fp = fopen("/proc/version", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("无法打开 /proc/version");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取内核版本号
    if (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp)) {
        printf("内核版本号: %s", buffer);
    }

    fclose(fp);
}

下图显示了运行该程序的一个实例：

🤚 动手操作

请按以下步骤进行实验：

• 进入VS Code终端，在终端中输入以下命令进入“kdb”目录：cd ~/kdb
  • 如果不存在此文件夹请输入以下命令创建该文件夹并进入之：
    • mkdir kdb && cd $_
• 在VS Code中终端创建一个名为“sysinfo.c”的文件：code sysinfo.c
  • 现在键盘的输入焦点转到编辑窗口，拷贝上述示例代码并保存该文件
• 在VS Code的终端窗口中编译该文件：gcc sysinfo.c -o sysinfo
• 在VS Code的终端窗口中执行该程式：./sysinfo
• 观察该程式的输出结果。

🔔 清理

记得最后在VS Code终端窗口删除本次实验所有新建文件：rm -f ~/kdb/*

实验二 父子进程关系

fork()是Linux系统编程中非常重要的一个系统调用，用于创建新的进程。

基本概念

功能：fork()用于创建一个与当前进程（父进程）几乎完全相同的子进程。
返回值：

• 成功时：
  • 在父进程中返回子进程的PID（进程ID）
  • 在子进程中返回0（用于标识自身为子进程）
• 失败时：
  • 返回-1，并设置errno

关键特性：

• fork() 创建的子进程是父进程的副本，包括：
  • 代码段
  • 数据段
  • 堆栈
  • 打开的文件描述符
  • 信号处理程序
• 子进程从 fork() 返回处开始执行。
• 父进程可以通过 wait() 或 waitpid() 等待子进程结束。

🎵 代码示例

/*
 * process.c
 */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    int mileage = 0;
    pid_t pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid < 0) {
        // fork 失败
        perror("Fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        mileage = 120;
        printf("\nChild process: PID = %d, Parent PID = %d. \
            \n\tAnd the son's journey reached %d kilometers.\n", \
            getpid(), getppid(), mileage);
    } else {
        // 父进程
        mileage = 100;

	    wait(NULL); // 等待子进程结束
        printf("\nParent process: PID = %d, Child PID = %d. \
            \n\tAnd the father's journey reached %d kilometers.\n", \
            getpid(), pid, mileage);
    }

    return 0;
}

运行上述程序，可能的输出是：

Child process: PID = 5026, Parent PID = 5025.
        And the son's journey reached 120 kilometers.

Parent process: PID = 5025, Child PID = 5026.
        And the father's journey reached 100 kilometers.

解释：

• 通常每次运行时分配到的进程号都不会相同，所以每次运行的打印结果都会有变化。
• 父进程和子进程的输出顺序不确定（取决于系统调度），但是我们使用了wait()函数让子进程先输出。
• 父子进程各自拥有变量mileage的值，说明子进程从父进程拷贝了副本，两者不共享数据。

在VS Code IDE中运行的情况如下图所示：

进行实验

设想一对父子从家中出发到一处风景胜地，父亲立即近路（100公里路程）动身，儿子稍作准备从远路（120公里路程）前往。通常父亲会先到达目的地，但是他会等待儿子到达排在他前面用餐。请用C语言创建父子进程模拟上述情景。

🤚 动手操作

请按以下步骤进行实验：

• 进入VS Code终端，在终端中输入以下命令进入“kdb”目录：cd ~/kdb
  • 如果不存在此文件夹请输入以下命令创建该文件夹并进入之：
    • mkdir kdb && cd $_
• 在VS Code中终端创建一个名为“process.c”的文件：code process.c
  • 现在键盘的输入焦点转到编辑窗口，拷贝上述示例代码并保存该文件
• 在VS Code的终端窗口中编译该文件：gcc process.c -o process
• 在VS Code的终端窗口中执行该程式：./process
• 观察该程式的输出结果。

🔔 清理

记得最后在VS Code终端窗口删除本次实验所有新建文件：rm -f ~/kdb/*

实验三 设置CPU亲和性

CPU亲和性（CPU Affinity）是指将进程或线程绑定到特定的CPU核上运行，以优化性能或满足特定需求。通过设置CPU亲和性，可以减少上下文切换和缓存失效，从而提高系统效率。

查看核心数

我们首先需要查看逻辑CPU个数（逻辑CPU个数 = 物理CPU个数 * core个数）。我们可以用以下命令查看：

🎵 代码示例

cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l

在本例中，输出为4，表明该硬件系统中共有4个逻辑CPU（从0到3编号）。在本实验中，将通过进程/线程的处理器亲和性将进程/线程绑定到指定的逻辑CPU上。

💡 扩展知识

可通过命令cat /proc/cpuinfo查看更多的处理器信息。

用C函数设置CPU亲和性

在C程式中，我们可以通过sched_setaffinity()函数设置进程的CPU亲和性。

语法：

int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *mask);

• pid：进程号（Process ID），也就是要进行绑定CPU的进程ID，如果其值为0，则表示指定的是当前进程。
• cpusetsize：mask参数所指向的CPU集合的大小。
• mask：与进程进行绑定的CPU集合（一个进程可以绑定到多个CPU上运行）：
  • 参数mask的类型为cpu_set_t，它是一个位图，其中的每个位表示一个CPU核。
  • 示例：
    • 将cpu_set_t的第0位设置为1，即0001，表示将进程绑定到CPU0上运行，而不会调度到其他CPU。
    • 将cpu_set_t的第2位设置为1，即0100，表示将进程绑定到CPU2上运行，而不会调度到其他CPU。
    • 将cpu_set_t的第0位和第2位设置为1，即0101，表示将进程绑定到CPU0和CPU2上运行，即进程可能在CPU0或CPU2上运行，而不会在其他CPU上运行。

/*
 * cpuset.c
 */

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char **argv) {
    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);    // 初始化CPU集合，将mask置为空
    CPU_SET(1, &mask);  // 将本进程绑定到CPU1上

    // 设置进程的CPU亲和性
    if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1) {
        printf("Set CPU affinity failed, error: %s\n", strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE); 
    }

    while (1) {;}  // 无限循环，以便实验观察

    return 0;
}

注意这个程序会进入一个无限循环（可以按“Ctrl+c”键终止该循环）。

用Linux命令查看/设置CPU亲和性

具体怎么来查看其运行结果呢？除了利用编程接口来设置CPU亲和性外，在Linux中，我们也可以使用命令行工具taskset来查看和设置。

语法：

taskset -p [mask] [pid]

• pid：进程号，也就是要进行绑定CPU的进程ID。
• mask：与进程进行绑定的CPU集合（一个进程可以绑定到多个CPU上运行）。

🎵 代码示例

taskset -p 1234  # 查看进程的CPU亲和性
taskset -pc 1234  # 查看进程的CPU亲和性
taskset -p 0x3 1234  # 将PID为1234的进程绑定到CPU0和CPU1
taskset 0x1 ./my_program  # 启动新进程并将其绑定到CPU0

获取进程号

那么，如何在命令行中得到一个进程的进程号呢——可以使用ps命令。

语法：

ps [OPTIONS]

• ps（process status，进程状态）命令是Linux系统中用于显示当前进程信息的一个非常有用的工具。

🎵 代码示例

ps -a | grep cpuset # 查看程式“cpuset”运行时所具备的进程号

一个实例

下面三个步骤展示了上述诸般操作的一个实例。

🎶步骤 1：首先编辑、编译并执行cpuset.c程序：

🎶步骤 2：然后按下“Ctrl+Shift+`”键开启另外一个终端：

🎶步骤 3：在新的终端里用taskset命令查看/设置CPU亲和性：

🎶步骤 4：最后需要回到上图中右下角子窗口所示的“./cpuset”终端窗口，按下“Ctrl+c”键结束cpuset进程。

进行实验

🤚 动手操作

请按以下步骤进行实验：

• 进入VS Code终端，在终端中输入以下命令进入“kdb”目录：cd ~/kdb
  • 如果不存在此文件夹请输入以下命令创建该文件夹并进入之：
    • mkdir kdb && cd $_
• 在VS Code中终端创建一个名为“cpuset.c”的文件：code cpuset.c
  • 现在键盘的输入焦点转到编辑窗口，拷贝上述示例代码并保存该文件
• 在VS Code的终端窗口中编译该文件：gcc cpuset.c -o cpuset
• 在VS Code的终端窗口中执行该程式：./cpuset
• 新启动一个终端；
• 在新的终端中输入以下命令以观察/设置“cpuset”进程的CPU亲和性:
  • ps -a | grep cpuset # 查看cpuset进程的进程号（比如说是7593）
  • taskset -pc 7593 # 查看该进程的CPU亲和性（进程号7593是一个示例）
  • taskset -p ❓ 7593 # 请填入正确的掩码，以将该进程绑定在CPU2上
  • taskset -pc 7593 # 查看是否绑定成功
• 在运行“cpuset”程式的窗口中按“Ctrl+c”键结束该进程。

🔔 清理

记得最后在VS Code终端窗口删除本次实验所有新建文件：rm -f ~/kdb/*

术语表

本实验中所用术语列表如下：

🏷术语表