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LinuxKernel架构 黄松青 操作系统 OS 的概念 一个系统管理程序 管理计算机的资源 给用户一个使用这些资源的平台一个服务程序 操作系统都是为用户应用程序服务的 服务的方式是通过系统调用systemcallLinux是一个多任务 跨平台的现代操作系统 为什么要有操作系统 多任务的要求统一的服务接口 合理使用资源 如内存管理并发时对资源使用冲突减少开发的难度安全性的要求网络 TCP IP 的使用GUI的使用要求应用程序移植性的要求用户操作的方便性 操作系统的组成 进程管理模块内存管理模块文件系统管理模块设备管理模块异常和中断管理模块网络协议模块 进程管理 进程 process 的概念系统的第一个进程Init用户进程如何运行和退出记录进程的信息 进程控制块PCB系统调度 不同的系统有不同的策略用户进程进入系统的唯一途径 systemcall 内存管理 内存是系统资源的一种内存的分类SRAM SDRAM FB Registers 外设片上内存物理内存的管理虚拟内存的管理 内核空间与用户空间内核与用户内存的分配内存碎片的产生和避免 文件系统管理 永久性存储设备 disk flash sd cf分区 格式化及文件一个简单的文件系统的例子系统看存储地址是线性进程看待文件的统一化和抽象化 设备管理 HAL层的概念 开放性的理念设备的驱动系统要记录和管理设备的存在安全使用设备设备是一种特殊的文件进程如何使用设备 open close read write ioctl Linuxkernel历史 1991年由当时的芬兰学生linustorvalds编写并以GNUGPL的方式发布到Internet上 称为0 11版1994年 出1 0 0版本1996年 出2 0版本1999年 出2 2版本2001年 出2 4版本2003年 出2 6版本 至今都稳定在该版本 Linuxkernel的特点 类Unix 遵循POSIX标准支持很多的体系结构 如X86 Arm Mips等等 有极强的平台可伸缩性OpenSource GNUGPL 单内核 开放可扩展真正的多任务多用户具有强大的网络功能 尤其对Tcp ip支持开发功能强 开发环境免费设备独立性 系统把所有外部设备统一当作成文件来看待及操作可靠的系统安全 Linux系统软件层次结构 Linux中处理器的运行 LinuxKernel初始化完毕后 程序运行在以下的上下文空间中 1 运行于用户空间 执行用户程序2 运行于内核空间 处于当前进程的上下文3 运行于中断 处于中断上下文 与进程无关 因为中断的不可预知 fread 文件的执行举例 用户进程在用户空间 使用C库fread 读文件Fread 调用read 系统调用 进入系统空间 执行系统代码系统根据文件对存储设备进行数据请求 在数据没准备就绪是让出CPU使其他进程运行 存储设备数据准备就绪 向CPU发出中断请求 CPU响应进入中断上下文 并唤醒该文件的读进程在某时刻 读文件的进程再次运行 取到数据 返回用户空间 获取Linux内核源代码 从官方网站获取 www kernel org 主要是X86平台的版本以BSP包的方式获取 主要在嵌入式的平台上用的方式补丁 从版本2 6 20升级到2 6 21 cd到2 6 20linux目录 patch p1 patch 2 6 21 Linux2 6内核源码目录结构 Linux2 6内核配置与编译 交叉编译器 运行在一种体系的CPU 通常是X86 的编译器 对其编译的程序产生另外一种体系 如ARM MIPS 的指令的编译器叫交叉编译器安装ARM交叉编译器 tarxzvfcrass 3 3 2 tgz把解开的目录的bin 目录的绝对路径增加到环境变量 PATH中 Linux2 6内核配置与编译 安装ARMLinux2 6源码包 tarxzvfgec linux 2 6 8 1 tgz Linux2 6内核配置与编译 内核配置系统 配置命令 makeconfig 基于文本的最为传统的配置界面 不推荐使用 makemenuconfig 基于文本菜单的配置界面 字符终端下推荐使用 makexconfig 基于图形窗口模式的配置界面 Xwindow下推荐使 makegconfig 基于gtk的图形配置界面 这些命令产生的配置选项给用户 用户选择 退出 保存后产生 config文件 文件中包含有各种选择了的配置选项 以供Makefile使用 Makefile在会根据 config的选项来产生autoconf h autoconf h是以C语言的形式定义的各编译选项 供kernel的源文件include Linux2 6内核配置与编译 选择相应的配置时 有三种选择 它们分别代表的含义如下 Y 将该功能编译进内核N 不将该功能编译进内核M 将该功能编译成模块 可以在需要时动态插入到内核中makexconfig 使用鼠标就可以选择对应的选项 makemenuconfig 则需要使用空格键进行选取 如果有不明白的地方 按 shift 的组合键来查看说明 Linux2 6内核配置与编译 配置的原则1 大部分选项可以使用其缺省值或者BSP选用缺省值 只有小部分需要根据用户不同的需要选择 2 将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块 有利于减小内核的长度 减小内核消耗的内存 3 不需要的功能就不要选 4 与内核关心紧密而且经常使用的部分功能代码直接编译到内核中 Linux2 6内核配置与编译 配置工作过程 Makefile分布在Linux内核源代码中的Makefile 定义Linux内核的编译规则 顶层目录的Makefile管理整个Linux内核的配置编译 配置工具不同的内核配置方式 通过不同的配置工具完成 script目录下提供了这些配置工具 如menuconfig目标使用mconf Kconfig文件2 6内核引入的配置文件 是内核配置选项的源文件 arch ARCH Kconfig文件是主Kconfig文件 主Kconfig文件调用其他目录的Kconfig文件 这些Kconfig文件形成树状关系 树状菜单 Linux2 6内核配置与编译 配置工作过程 当用户执行配置命令 Makefile调用配置工具mconf mconf从arch ARCH Kconfig开始搜索各目录中的Kconfig文件 并根据这些文件形成图形化的配置界面 给用户进行配置Kconfig文件是产生 config文件的输入文件 也就是说 config中的选项是由Kconfig决定的这是Linux2 6内核独有的配置系统用户可以根据需要增加和修改其中的配置选项 Linux2 6内核配置与编译 配置的注意选项Codematurityleveloptions 应该选择 Promptfordevelopmentand orincompletecode drivers这将会在设置界面中显示还在开发或者还没有完成的代码与驱动 因为有许多设备可能必需选择这个选项才能进行配置 实际上它是安全的 Linux2 6内核配置与编译 配置的注意选项2Generalsetup 大部分保持默认 Supportforpagingofanonymousmemory swap 应该选择这个选项将使你的内核支持虚拟内存 Pc上应该选择 而嵌入式上一般不选 SystemVIPC应该选择为进程提供通信机制 有些程序只有在选Y的情况下才能运行 这里一定要选 POSIXMessageQueuesPOSIX的消息队列 它同样是一种IPC 应该选择 Supportforhot pluggabledevices支持热插拔的 若是为普通电脑配置内核 则最好选择 Linux2 6内核配置与编译 配置的注意选项3Loadablemodulesupport Enableloadablemodulesupport应该选择这个选项可以让你的内核支持模块 一般一些不常用到的驱动或特性可以编译为模块以减少内核的体积 Moduleunloading应该选择这个选项可以让你卸载不再使用的模块 如果不选的话你将不能卸载任何模块 Forcedmoduleunloading强行卸载模块 可以把正在使用中的模快卸载掉 做内核开发或者驱动开发的时候 有一定的好处 但一般用户不应该选择 Linux2 6内核配置与编译 配置的注意选项4Executablefileformats KernelsupportforELFbinaries一定要选5DeviceDrivers MemoryTechnologyDevices MTD 存储设备层 大部分的flash芯片驱动都基于MTD 用于嵌入式系統 BlockdevicesLoopbackdevicesupport可以将一个文件挂成一个文件系统 mountiso文件 Linux2 6内核配置与编译 配置的注意选项6filesystems 必须将根文件系统直接编译到内核中 并且在这里选择系统支持的文件系统 Linux2 6内核配置与编译 cd到ARMLinux2 6的安装目录中 make在当前目录中将产生vmlinux即为内核文件 makemodules makemodules install将产生在内核代码树中以模块方式编译的模块 Linux内核启动流程 bootloader加载kernel到内存arch mi