第12講-Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植

第十二講

Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植河南大學計算機與信息工程學院Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux的移植Linux內(nèi)核裁剪2Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux的移植Linux內(nèi)核裁剪3*4Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*5Linux內(nèi)核可以劃分成三層。系統(tǒng)調(diào)用接口（SCI）：實現(xiàn)了一些基本的調(diào)用功能，例如read和write等。內(nèi)核代碼：獨立于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核代碼。這些代碼是Linux所支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)所通用的。依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，構(gòu)成了通常稱為BSP（BoardSupportPackage）的部分。這些代碼用作給定體系結(jié)構(gòu)的處理器和特定于平臺的代碼。Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*6Linux內(nèi)核的主要子系統(tǒng)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*71）進程調(diào)度2）進程間通信3）內(nèi)存管理4）虛擬文件系統(tǒng)5）網(wǎng)絡(luò)堆棧6）設(shè)備驅(qū)動程序7）依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼Linux內(nèi)核的主要子系統(tǒng)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*8內(nèi)核通過系統(tǒng)調(diào)用接口SCI層提供API來創(chuàng)建一個新進程，停止進程，并在進程間進行通信和同步；進程調(diào)度還包括處理活動進程間共享CPU的需求；內(nèi)核進程管理的源代碼在“./linux-2.6.x/kernel”中；依賴于體系結(jié)構(gòu)的源代碼在“./linux-2.6.x/arch”中。

1）進程調(diào)度Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*9支持進程間各種通信機制，包括管道、FIFO、共享內(nèi)存、信號、消息隊列、套接字等。

2）進程間通信Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*10為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的內(nèi)存頁方式進行管理的（對于大部分體系結(jié)構(gòu)來說都是4KB）。Linux包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。內(nèi)存管理模式使用4KB緩沖區(qū)為基數(shù)，從中分配結(jié)構(gòu)，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，根據(jù)系統(tǒng)需要動態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。內(nèi)存管理的源代碼在“./linux-2.6.x/mm”中。

3）內(nèi)存管理Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*11虛擬文件系統(tǒng)（VFS）為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS在SCI和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。文件系統(tǒng)的源代碼在“./linux-2.6.x/fs”中。文件系統(tǒng)層之下的緩沖區(qū)可優(yōu)化對物理設(shè)備的訪問；緩沖區(qū)之下設(shè)備驅(qū)動程序接口。

4）虛擬文件系統(tǒng)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*12網(wǎng)絡(luò)堆棧在設(shè)計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)。InternetProtocol(IP)是傳輸協(xié)議（通常稱為傳輸控制協(xié)議TCP）下面的核心網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。TCP上面是socket層，它是通過SCI進行調(diào)用的。Socket層是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的標準API，為各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供用戶接口。從原始幀訪問到IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），再到TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP，socket層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)源代碼在“./linux-2.6.x/net”中。

5）網(wǎng)絡(luò)堆棧Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*13Linux內(nèi)核中有大量代碼都在設(shè)備驅(qū)動程序中，它們能夠支持特定硬件設(shè)備的運轉(zhuǎn)。Linux源碼樹提供了一個驅(qū)動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設(shè)備，例如DMA、I2C、USB

等。設(shè)備驅(qū)動程序的代碼可以在“./linux-2.6.x/drivers”中。

6）設(shè)備驅(qū)動程序Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*14盡管Linux很大程度上獨立于所運行的體系結(jié)構(gòu)，但是有些元素則必須考慮體系結(jié)構(gòu)才能正常操作并實現(xiàn)更高效率。./linux-2.6.x/arch

子目錄中定義了內(nèi)核源代碼中依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分，其中包含了各種特定于體系結(jié)構(gòu)的子目錄（共同組成了BSP）。

7）依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)*15Linux內(nèi)核的技術(shù)特點注重實用和效率：Linux內(nèi)核被設(shè)計成分層的微內(nèi)核，所以效率高，緊湊性強。內(nèi)核可定制：選擇適合的，剔除不需要的部分，適合嵌入式產(chǎn)品。LKM機制：LoadableKernelModule機制，用戶在需要時現(xiàn)場動態(tài)加載，使用完畢可動態(tài)卸載。將模塊從內(nèi)核中獨立出來。網(wǎng)絡(luò)支持：支持大量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。被動調(diào)用服務(wù)對象：Linux內(nèi)核為用戶進程服務(wù)的唯一方式是用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用來請求在內(nèi)核空間運行某個函數(shù)。虛擬內(nèi)存技術(shù)：每個進程的虛擬內(nèi)存空間為4GB。其中0-3GB屬于用戶空間，稱為用戶段；3-4GB屬于內(nèi)核空間，稱為內(nèi)核段。Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux的移植Linux內(nèi)核裁剪1617/pub/linux/kernel/v2.6內(nèi)核下載Linux內(nèi)核目錄結(jié)構(gòu)linuxDocumentationarchdriversfsincludeinitmmlibnetscript幫助文檔體系結(jié)構(gòu)相關(guān)源代碼驅(qū)動程序文件系統(tǒng)頭文件kernel初始化Linux內(nèi)存管理常用函數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議源代碼腳本文件armbootkernellibmach-s3c2440vmlinux.lds壓縮內(nèi)核啟動引導代碼內(nèi)核起始代碼常用函數(shù)s3c2440平臺相關(guān)代碼核心的連接腳本文件與架構(gòu)和平臺相關(guān)的源代碼都放在arch目錄下，對于ARM的Linux，包含于arch目錄下的arm子目錄中。Linux內(nèi)核arch目錄*20Linux源代碼結(jié)構(gòu)結(jié)合源碼包，仔細分析Linux-2.6.39內(nèi)核源代碼結(jié)構(gòu)。*21linux-2.6.39：該主目錄中包括所有的子目錄，還含有唯一的一個Makefile文件。主要用途是通過識別哪些文件已被修改過，從而自動地決定在一個含有多個源程序文件的程序系統(tǒng)中哪些文件需要被重新編譯。linux-2.6.39目錄下的這個Makefile文件還嵌套地調(diào)用了所有子目錄中包含的Makefile文件。這樣，當linux目錄（包括子目錄）下的任何文件被修改過時，make都會對其進行重新編譯。因此為了編譯整個內(nèi)核所有的源代碼文件，只要在linux目錄下運行一次make軟件即可。Linux源代碼結(jié)構(gòu)1）linux主目錄*22arch目錄：包含和硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每種平臺占一個相應(yīng)的目錄。在這個目錄下，針對不同體系結(jié)構(gòu)所移植的版本都有三個子目錄：kernel、lib和mm。kernel子目錄包含依賴于體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的一般內(nèi)核功能，如信號處理、時鐘處理等；lib子目錄包含庫函數(shù)的本地實現(xiàn)，如果從依賴于體系結(jié)構(gòu)的源碼編譯，則運行更快；mm子目錄包含存儲管理實現(xiàn)的代碼。

Linux源代碼結(jié)構(gòu)2）arch目錄*233）block目錄：存放部分塊設(shè)備驅(qū)動程序。4）crypto目錄：存放常用加密和散列算法（如AES、SHA等），還有一些壓縮和CRC校驗算法。5）Documentation目錄：存放關(guān)于內(nèi)核各部分的通用解釋和注釋。6）drivers目錄：存放設(shè)備驅(qū)動程序，每個不同的驅(qū)動占用一個子目錄，如聲卡的驅(qū)動對應(yīng)于drivers/sound。這個目錄擁有50%以上的內(nèi)核源碼，系統(tǒng)中所有的設(shè)備驅(qū)動程序都位于該目錄中。7）fs目錄：Linux支持的文件系統(tǒng)代碼。不同的文件系統(tǒng)有不同的子目錄與之對應(yīng)。如ext、fat、ntfs等。8）include目錄：存放頭文件，包括了內(nèi)核的大多數(shù)頭文件，另外對每種支持的體系結(jié)構(gòu)分別有一個子目錄。其中，和系統(tǒng)相關(guān)的頭文件被放置在linux子目錄下。Linux源代碼結(jié)構(gòu)*249）init目錄：存放內(nèi)核初始化代碼（不是系統(tǒng)引導代碼）。包含了所有系統(tǒng)的初始化源碼，許多主要的文件，如main.c就位于該目錄下。該文件還包含了許多核心代碼，如實現(xiàn)fork()的代碼和最常執(zhí)行的代碼cpuidle()循環(huán)。10）ipc目錄：處理進程間通信的全部所需的代碼都放在該目錄下。11）kernel目錄：內(nèi)核的最核心部分，許多最常調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)放在該目錄下。包括調(diào)度器fork()和timer.c等，和平臺相關(guān)的一部分代碼放在arch/*/kernel目錄下。12）lib目錄：存放庫文件代碼。該目錄放置內(nèi)核其他部分經(jīng)常所需要的代碼，如inflate.c就放在這里，它能夠在引導時解壓內(nèi)核并裝入內(nèi)存。與處理器結(jié)構(gòu)相關(guān)的庫代碼放在arch/*/lib目錄下。Linux源代碼結(jié)構(gòu)*2513）mm目錄：包含了所有Linux實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理的源碼。與具體硬件體協(xié)結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)存管理代碼位于arch/*/mm目錄下，如對應(yīng)X86的就是arch/i386/mm/fault.c14）modules目錄:存放已編譯好的可動態(tài)加載的模塊。15）net目錄：存放所有提供網(wǎng)絡(luò)支持的代碼代碼，實現(xiàn)了各種常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，每個子目錄對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的一個方面。16）scripts目錄：存放用于配置內(nèi)核的腳本文件及用戶開發(fā)和維護手冊。17）security目錄：SELinux（Security-EnhancedLinux）的模塊。18）sound目錄：常用音頻設(shè)備的驅(qū)動程序等。19）usr目錄：/usr這是最龐大的目錄，我們要用到的應(yīng)用程序和文件幾乎都存放在這個目錄下Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux的移植Linux內(nèi)核裁剪26*27Linux移植：把Linux操作系統(tǒng)針對具體的目標平臺做必要改寫之后，安裝到該目標平臺使其正確的運行起來。Linux的移植Linux的移植Linux內(nèi)核的移植可以分為板級移植和片級移植。板級移植：對于Linux發(fā)行版本中已經(jīng)支持的CPU通常只需要針對板級硬件進行適當?shù)男薷募纯伞Ｆ壱浦玻簩τ贚inux發(fā)行版本中沒有支持的CPU則需要添加相應(yīng)CPU的內(nèi)核移植。片級移植相對板級移植來說要復雜許多，目前采用的Linux發(fā)行版本中已經(jīng)包含S3C2440X

ARM920T處理器的移植包，因此，只需要在其上進行Linux板級移植的基本過程和方法。*291）交叉編譯環(huán)境的搭建。2）修改相關(guān)的配置文件，如修改內(nèi)核目錄下的makefile文件中關(guān)于交叉編譯工具相關(guān)的內(nèi)容，此后就可以使用這個makefile進行編譯了。3）修改linux內(nèi)核源碼，主要是修改和CPU相關(guān)的部分。4）內(nèi)核的裁剪，根據(jù)項目的需要裁剪內(nèi)核模塊。5）內(nèi)核的編譯，將裁剪好的內(nèi)核進行編譯，生成二進制映像文件。6）內(nèi)核的下載，將生成的二進制映像文件，燒寫到目標平臺。Linux的移植*30linux的移植主要包含啟動代碼的修改，內(nèi)核的鏈接及裝入，參數(shù)傳遞，內(nèi)核引導幾個部分。linux內(nèi)核分為體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分和體系結(jié)構(gòu)無關(guān)部分。在Linux啟動的第一階段，內(nèi)核與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分（arch目錄下）首先執(zhí)行，它會完成硬件寄存器設(shè)置，內(nèi)存映像等初始化工作。然后把控制權(quán)轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)部分。在移植工作中要改動的代碼主要集中在與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。Linux的移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux源代碼結(jié)構(gòu)Linux的移植Linux內(nèi)核裁剪31*32Linux內(nèi)核的裁剪與編譯看上去是個簡單的過程。只是對配置菜單的簡單選擇。但是內(nèi)核配置菜單本身結(jié)構(gòu)龐大，內(nèi)容復雜。熟悉與了解該菜單的各項具體含義就顯得比較重要。Linux內(nèi)核裁剪*33常用有如下幾種方式：makeconfig

進入命令行，逐行配置makemenuconfig

menuconfig菜單makexconfig

xconfig菜單Linux內(nèi)核裁剪makeconfig*35makemenuconfigLinux內(nèi)核裁剪*36makexconfigLinux內(nèi)核裁剪內(nèi)核配置原則：大部分選項使用默認值，小部分根據(jù)用戶不同進行選擇。與內(nèi)核關(guān)系緊密且經(jīng)常使用的部分功能代碼直接編譯到內(nèi)核中。與內(nèi)核其他部分關(guān)系較遠且不經(jīng)常使用的部分功能代碼編譯成可加載模塊。有利于縮短內(nèi)核長度，減小內(nèi)核消耗的內(nèi)存。不需要的功能不選，或使用默認值。37Linux內(nèi)核裁剪Linux常用配置選項系統(tǒng)及其存儲器配置網(wǎng)絡(luò)支持顯示器支持觸摸屏支持系統(tǒng)及其存儲器配置在‘SystemType’菜單中中進行配置選擇系統(tǒng)類型處理器型號選擇處理器其它特性（USB支持等）網(wǎng)絡(luò)支持在Networkingoptions以及Networkdevicesupport中進行配置選擇支持TCP/IP協(xié)議在Networkdevicesupport配置中，添加選項Networkdevicesupport，并在Ethernet(10or100Mbit)中選擇OtherISAcards，如下圖所示選擇NE2000/NE1000support采用RTL8019網(wǎng)卡芯片，為NE2000兼容網(wǎng)卡芯片網(wǎng)絡(luò)支持顯示器支持在Characterdevices以及Consoledrivers中進行配置。在Characterdevices配置中，添加選項Virtualterminal配置，如下圖所示。Virtualterminal支持顯示器支持在Consoledrivers中添加SupportFramebufferdevices配置如采用256色STN顯示器，選擇8bpp支持觸摸屏支持在Characterdevices的SupportS3C2440TouchScreen子菜單中進行配置選擇s3c2440觸摸屏支持*45內(nèi)核的編譯在完成內(nèi)核的裁減之后，內(nèi)核的編譯只要執(zhí)行以下幾條命令：(1)makeclean這條命令是在正式編譯你的內(nèi)核之前先把環(huán)境給清理干凈。有時你也可以用makerealclean或makemrproper來徹底清除相關(guān)依賴，保證沒有不正確的.o文件存在。(2)makedep這條命令是編譯相關(guān)依賴文件。(3)makezImage這條命令就是最終的編譯命令。有時可以直接用make(2.6.X版本上用)或makebzImage（給PC機編譯大內(nèi)核時用）。(4)makeinstall這條命令可以把相關(guān)文件拷貝到默認的目錄。當然在給嵌入式設(shè)備編譯時這步可以不要。因為具體的內(nèi)核安裝還需要你手工進行。編譯Linux內(nèi)核建立依賴關(guān)系

makedep編譯內(nèi)核

make編譯內(nèi)核

makezImage編譯壓縮核心（zImage）編譯生成的Linux映像文件zImage通常保存在arch/arm/boot/目錄下下載、運行和調(diào)試內(nèi)核通過調(diào)試器下載內(nèi)核并運行通過BOOTLOADER下載內(nèi)核到SDRAM中運行通過BOOTLOADER將內(nèi)核燒寫到FLASH中，然后運行LinuxLinux內(nèi)核移植主要過程1對于板級移植，內(nèi)核移植主要包括如下幾個部分：內(nèi)核配置，包括板級包配置體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼修改，根據(jù)板級包的配置，修改相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，包括：壓縮核心啟動代碼：linux/arch/arm/boot/內(nèi)核啟動代碼：linux/arch/arm/kernel/板級相關(guān)代碼：linux/arch/arm/mach-s3c2440/連接腳本核心連接腳本：linux/arch/arm/vmlinux.lds壓縮核心連接腳本：linux/arch/arm/boot/compressed/linux.ldsLinux內(nèi)核移植主