第12_Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)及移植.ppt

1、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,2,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,3,04:17,4,Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,5,Linux 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

2、（Board Support Package）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),04:17,6,Linux內(nèi)核的主要子系統(tǒng),Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,7,1）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)絡堆棧 6）設備驅(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),04:17,8,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

3、； 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),04:17,9,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),04:17,10,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/

4、mm”中。,3）內(nèi)存管理,Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,11,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)化對物理設備的訪問；緩沖區(qū)之下設備驅(qū)動程序接口。,4）虛擬文件系統(tǒng),Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,12,網(wǎng)絡堆棧在設計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)。Internet Protocol (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)絡層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調(diào)用的

5、。 Socket層是網(wǎng)絡子系統(tǒng)的標準API，為各種網(wǎng)絡協(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)絡源代碼在“./linux-2.6.x/net”中。,5）網(wǎng)絡堆棧,Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,13,Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設備驅(qū)動程序中，它們能夠支持特定硬件設備的運轉(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備，例如 DMA、I2C、USB 等。 設備驅(qū)動程序的代碼可以在 “./linux-2.6.x/driv

6、ers”中。,6）設備驅(qū)動程序,Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu),04:17,14,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),04:17,15,Linux 內(nèi)核的技術特點,注重實用和效率：Linux內(nèi)核被設計成分層的微內(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：Loadable Kernel

7、Module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)絡支持：支持大量網(wǎng)絡協(xié)議。 被動調(diào)用服務對象：Linux內(nèi)核為用戶進程服務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：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,16,17,/pub/linux/kernel/v2.6,內(nèi)核下載,Linux內(nèi)

8、核目錄結(jié)構(gòu),與架構(gòu)和平臺相關的源代碼都放在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,04:17,20,Linux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)。,04:17,21,linux-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lin

9、ux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,04:17,22,arch目錄：包含和硬件體系結(jié)構(gòu)相關的代碼，每種平臺占一個相應的目錄。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

10、結(jié)構(gòu),2）arch目錄,04:17,23,3）block目錄：存放部分塊設備驅(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：存放關于內(nèi)核各部分的通用解釋和注釋。 6）drivers目錄：存放設備驅(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。如ext、fat、ntfs等。 8）include目錄：存放頭

11、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)相關的頭文件被放置在linux子目錄下。,Linux源代碼結(jié)構(gòu),04:17,24,9）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，和平臺相關的一部分代

12、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)相關的庫代碼放在arch/*/lib目錄下。,Linux源代碼結(jié)構(gòu),04:17,25,13）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)相關的內(nèi)存管理代碼位于arch/*/mm目錄下，如對應X86的就是arch/i386/mm/fault.c 14）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)絡支持的代碼代碼，實現(xiàn)了各種常見的網(wǎng)絡協(xié)

13、議，每個子目錄對應網(wǎng)絡的一個方面。 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-Enhanced Linux）的模塊。 18）sound目錄：常用音頻設備的驅(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,26,04:17,27,Linux 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

14、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?片級移植：對于Linux發(fā)行版本中沒有支持的CPU則需要添加相應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。,04:17,29,1）交叉編譯環(huán)境的搭建。 2）修改相關的配置文件，如修改內(nèi)核目錄下的 makefile 文件中關于交叉編譯工

15、具相關的內(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,04:17,30,linux 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)相關部分和體系結(jié)構(gòu)無關部分。 在 Linux 啟動的第一階段，內(nèi)核與體系結(jié)構(gòu)相關部分（arch 目錄下）首先執(zhí)行，它會完成硬件寄存器設置，內(nèi)存映像等初始化工作

16、。然后把控制權(quán)轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關部分。 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,31,04:17,32,Linux 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,04:17,33,常用有如下幾種方式：,make config 進入命令行，逐行配置 make menuconfig menuconfig菜單 make xcon

17、fig xconfig菜單,Linux內(nèi)核裁剪,make config,04:17,35,make menuconfig,Linux內(nèi)核裁剪,04:17,36,make xconfig,Linux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。,37,Linux內(nèi)核裁剪,Linux常用配置選項,系統(tǒng)及其存儲器配置,網(wǎng)絡支持,顯示器支持,觸摸屏支持,系統(tǒng)及其存儲器配置,在

18、System Type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)絡支持,在Networking options以及Network device support中進行配置,選擇支持TCP/IP協(xié)議,在Network device support配置中，添加選項Network device support，并在Ethernet(10 or 100Mbit)中選擇Other ISA cards，如下圖所示選擇NE2000/NE1000 support,采用RTL8019網(wǎng)卡芯片，為NE2000兼容網(wǎng)卡芯片,網(wǎng)絡支持,顯示器支持,在Character devic

19、es以及Console drivers中進行配置。 在Character devices配置中，添加選項Virtual terminal配置，如下圖所示。,Virtual terminal支持,顯示器支持,在Console drivers中添加Support Frame buffer devices配置,如采用256色STN顯示器，選擇8bpp支持,觸摸屏支持,在Character devices的Support S3C2440 TouchScreen子菜單中進行配置,選擇s3c2440觸摸屏支持,04:17,45,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)ma

20、ke clean 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 make realclean 或 make mrproper 來徹底清除相關依賴，保證沒有不正確的.o 文件存在。 (2)make dep 這條命令是編譯相關依賴文件。 (3)make zImage 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 make bzImage（給 PC 機編譯大內(nèi)核時用）。 (4)make install 這條命令可以把相關文件拷貝到默認的目錄。當然在給嵌入式設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

21、關系 make dep,編譯內(nèi)核,make 編譯內(nèi)核 make zImage 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Linux,Linux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)相關代碼修改，根據(jù)板級包的配置，修改相應的體系結(jié)構(gòu)相關代碼，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.lds,Linux內(nèi)核移植主要過程2,加