内核开发基础

1、Linux内核简介

a、Linux系统是如何构成的？

Linux系统可以分成用户空间和内核空间

用户空间：用户程序，C库；

内核空间：内核，系统调用接口，体系结构相关代码；

b、为什么Linux系统会被划分为用户空间与内核空间？

现代CPU通常实现了不同的工作模式，以ARM为例，实现了7种工作模式：

系统模式（Sys），用户模式（Usr）、管理模式（Svc）、外部中断模式（Irq）、快速中断模式（Fiq）、数据访问中止模式（abt）、未定义指令异常模式（und）；X86也实现了4个不同的级别：Ring0——Ring3。Ring0下，可以执行特权指令，可以访问IO设备等，在Ring3则有很多限制。Linux系统利用了CPU这一特性，使用了其中的两极来分别运行Linux内核与应用程序，这样是操作系统本身得到充分的保护。例如：如果使用X86，用户代码运行在Ring3，内核代码运行在Ring0。

c、内核空间与用户空间是程序执行的两种不同的状态，通过系统调用和硬件中断能够完成从用户空间到内核空间的转移。

d、Linux内核是如何构成的？

（7个部分）：1>系统调用接口（SCI）：SCI层为用户空间提供了一套标准的系统调用函数来访问Linux内核，搭起了用户空间到内核空间的桥梁。

              

2>进程管理（PM）：进程管理的重点是创建进程（fork，exec），停止进程（kill，exit），并控制他们之间的通信（signal或者POSIX机制）。进程管理还包括控制进程如何共享CPU，即进程调度。

3>内存管理(MM):内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享内存区域，对内存回收，映射管理。

4>虚拟文件系统（VFS）：VFS隐藏各种文件系统的具体细节，为文件操作提供统一的接口。

5>架构体系相关代码（Arch）：内核所支持的各种CPU体系的相关代码，跨平台移植时需要修改。

6>网络协议栈（NS）：网络协议栈为Linux提供了丰富的网络协议实现。

7>设备驱动（DD）：Linux内核有大量代码都在设备驱动程序中，他们控制特定的硬件设备。

2、Linux内核源代码

Linux内核源代码采用树形结构进行组织，非常合理地把功能相关的文件都放在同一个子目录下，使得程序更具有可读性。内核源代码下载地址：www.kernel.org

1>arch目录：architecture的缩写。内核所支持的每种CPU体系，在该目录下都有对应的子目录。每个CPU的子目录，又进一步分解为boot，mm，kernel等子目录，分别包含控制系统引导，内存管理，系统调用等。

2>block目录：部分块设备驱动程序。

3>crypto目录:加密、压缩，CRC校验算法。

4>documention:内核的文档。

5>drivers目录：设备驱动程序。

6>fs目录：存放各种文件系统的实现代码，每个子目录对应一种文件系统的实现，公用的源程序用于实现虚拟文件系统VFS。

||--devpts:/dev/pts虚拟文件系统

||--ext2:第二扩展文件系统

||--fat：MS的fat32文件系统

||--isofs：ISO9660光盘cd-rom上的文件系统

7>include目录：内核所需要的头文件。与平台无关的头文件在include/linux子目录下，与平台有关的头文件则放在相应的子目录中。

8>lib目录：库文件代码。

9>mm目录：mm目录中的文件用于实现内存管理中与体系结构无关的部分。与体系结构有关的部分在arch目录。

10>net目录：网络协议的实现代码

||--802：802无线通讯协议核心支持代码

||--appletalk：与苹果系统联网的协议

||--ax25：AX25无线INTERNET协议

||--bridge：桥接设备

||--ipv4：IP协议族V4版32位寻址模式

||--ipv6：IP协议族V6版

11>samples:一些内核编程的范例。

12>scripts:配置内核的脚本。

13>security:SElinux的模块。

14>sound：音频设备的驱动程序。

15>usr：cpio命令实现。用于制作根文件系统的，把文件系统和内核放置一起的命令。是用户程序。

16>virt：内核虚拟机。

3、LInux内核配置与编译（必备技能）

Linux内核具有可制订的优点，具体步骤如下：

1>清除临时文件，中间文件和配置文件。

* make clean

    remove most genrated files but keep the config(删除大多数产生的文件保存配置文件)

* make mrproer

    remove all generated files + config files（删除所有产生的文件包括配置文件）

* make distclean

    mrproper + remove editor backup and patch files

2>确定目标系统的软硬件配置情况，比如CPU的类型、网卡的型号、所需支持的网络协议等。

3>使用如下命令之一配置内核：

* make config:基于文本模式的交互式配置 。

* make menuconfig:基于文本模式的菜单型配置。（推荐使用）

* make oldconfig: 使用已有的配置文件（.config）,但是会询问新增的配置选项。

* make xconfig: 图形化的配置（需安装图形化系统）。

4>make menuconfig是最为常用的内核配置方式，使用方法如下：

a>使用方向键在各选项间移动；

b>使用ENTER键进入下一层选单；每个选项上的高亮字母是键盘快捷方式，使用它可以快速地达到想要设置的选单项。

c>在括号中按“y”将这个项目编译进内核中，按“m”编译为模块，按“n”为不选择（按空格键也可在编译进内核、编译为模块和不编译三者间进行切换），按“h”将显示这个选项的帮助信息，按“Esc”键将返回到上层选单。

5>配置菜单中的项该怎么选择呢？

Code maturity level options(代码成熟度选项)

Prompt for debelopment and/or incomplete code/drivers

    显示尚在开发中或尚未完成的代码与驱动，除非你是测试人员或者开发者，否则请勿选择。

General setup(常规设置)

Local version-append to kernel release

    在内核版本后面加上自定义的版本字符串（小于64字符）可以用“uname -a”命令看到

Automatically append version ingormation to the version string

    自动在版本字符串后面添加版本信息，编译时需要perl以及git仓库支持

Support for paging of anonymous memory(swap)

    使用交换分区或者交换文件来作为虚拟内存

System V IPC

    System V 进程间通信（IPC）支持许多程序需要这个功能建议选

POSIX Message Queues

    POSIX消息队列支持

BSD Process Accounting

    将进程的统计信息写入文件的用户级系统调用，主要包括进程的创建时间/创建者/内存占用等信息

        BSD Process Accounting version 3 file format

        使用新的第三版文件格式，可以包含每个进程的PID和其父进程的PID但是不兼容老版本的文件格式

Export task/process statics through netlink

Loadable module support(可加载模块支持)

Enable loadable module support

    打开可加载模块支持，如果打开它则必须通过“make modules install”把内核模块安装在/lib/modules/中

    Module unloading

    允许卸载已经加载的模块

    Forced module unloading

    允许强制卸载正在使用中的模块（比较危险）

        Module versioning support

    允许使用其他版本的模块（可能会出问题）

            Source checksum for all modules

    为所有的模块校验源码，如果你不是自己编写内核就不需要它

                Automatic kernel module loading

    让内核通过运行modprobe来自动加载所需要的模块，比如可以自动解决模块的依赖关系

块设备、CPU类型、电源管理、总线、可执行文件的格式、网络、

内核配置通常在一个已有的配置文件基础上，通过修改得到新的配置文件，Linux内核提供了一系列可供参考的内核配置文件位于Arch/$cpu/configs

4>编译内核：

make zImage     make  bzImage

区别：在X86平台，zImage只能用于小于512K的内核

如果想获取详细编译信息，可使用：make zImage V = 1  make bzImage V = 1

编译好的内核位于arch/<cpu>/boot/目录下

5>编译内核模块：make modules

6>安装内核模块：make modules_install

将编译好的内核模块从内核源代码目录copy至/lib/nodules下。

7>制作init ramdisk

mkinitrd initrd-$version $version

例：

    mkinitrd initrd-2.6.29  2.6.29

$version可以通过查询/lib/modules下的目录得到。

8>内核安装（X86）

a、cp arch/x86/boot/bzImage/boot/vmlinuz-$version

b、cp $initrd/boot/

c、修改/etc/grub.conf或者/etc.lilo.conf

$version为所编译的内核版本号

4、内核模块开发

1>什么是内核模块？

    Linux内核的整体结构非常庞大，其他包含的组件也非常多，如何使用需要的组件呢：

方法一：把所有的组件都编译进内核文件，即zImage或bzImage，但这样会导致两个问题：一是生成的内核文件过大；二是如果要添加或删除耨个组件，需要重新编译整个内核。

方法二：有一种机制（内核模块机制）能让内核文件（zImage或bzImage）本身并不包含某个组件，而是该组件需要被使用的时候，动态的添加到正在运行的内核中。

2>内核模块特点

*模块本身并不被编译进内核文件（zImage或者bzImage）

*可以根据需求，在内核运行期间动态的安装或卸载。

#include<linux/init.h>

#include<linux/module.h>

static int hello_init(void)

{

    printk(KERN_WARNING"Hello,world!\n");

    return 0;

}

static void hello_exit(void)

{

    printk(KERN_INFO"Goodbye,world\n");

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

1、模块加载函数（必需）

安装模块时被系统自动调用的函数，通过module_init宏来指定。

2、模块卸载函数（必需）

卸载模块时被系统自动调用的函数，通过module_exit宏来指定。

在Linux2.6下编译一般使用makefile编译模块。

/*makefile*/

****************************************************************************

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := hello.o

else

KDIR := /lib/modules/2.6.18-53.e15/build

all:

        make -C $(KDIR) M=$(PWD)modules

clean:

        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.symvers

endif

***************************************************************

内核模块时多个源文件的makefile

***************************************************************

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m :=mymodule.o

mymodule-objs := main.o add.o

else

KDIR := /lib/modules/2.6.18-53.e15/build

all:

        make -C $(KDIR) M=$(PWD)modules

clean:

        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif

***************************************************************************

安装于卸载

加载insmod(insmod hello.ko)

卸载rmmod(rmmod hello)

查看lsmod

加载modprobe（modprobe hello）

modprobe如同insmod，也是加载一个模块到内核。它的不同之处在于它会根据文件

/lib/modules/<$version>/modules.dep来查看要加载的模块，看是否还依赖于其他模块，如果是会首先找到这些模块，把它们加载到内核。

模块可选信息

1>许可证信息

宏MODULE_LICENSE用来告知内核，该模块带有一个许可证，没有这样的说明，加载模块时内核会抱怨。有效的许可证有“GPL”、“GPLv2”“GPL and additional rights”、“DualBSD/GPL”

“Dual MPL/GPL”和“Proprietary”。

2>作者申明（可选）

MODULE_AUTHOR(“Simon Li”)；

3>模块描述（可选）

MODULE_DESCRIPTION（"Hello World"）

4>模块版本（可选）

MODULE_VERSION("V1.0")

5>模块别名（可选）

MODULE_ALIAS("a simple module");

6>模块参数

通过module_param指定模块参数用于在加载模块时传递参数模块。

module)param(name,type,perm)

name是模块参数的名称，type是这份参数的类型，perm是模块参数的访问权限。

type常见值：

bool：int： charp：

perm常见值：

S_IRUGO：任何用户都对/sys/module中出现的该参数具有读权限

S_IWUSR：允许root用户修改/sys/module中出现的该参数

例如：

int a = 3;

char* st;

module_param(a,int,S_IRUGO);

module_param(st,charp,S_IRUGO);

7>内核符号导出

/proc/kallsyms记录了内核中所有导出的符号的名字与地址。

EXPORT_SYMBOL（符号名）

EXPORT_SYMBOL_GPL（符号名）

其中EXPORT_SYMBOL_GPL只能用于包含GPL许可证的模块。

8>常见的问题

版本不匹配：disagrees about version of symbol struct_module insmod:error inserting 'hello.ko':-1 Invalid module format

解决办法：

1、使用modprobe--force-modversion强行插入

2、确保编译内核模块时，所依赖的内核代码版本等同于当前正在运行的内核。

可通过uname -r查看当前运行的版本号。

总结--对比应用

对比应用程序，内核模块具有以下不同：

医用程序是从头到尾执行任务，执行结束后从内存中消失。内核模块是现在内核中注册自己以便服务于将来的某个请求，然后它的初始化函数结束，此时模块任然存在于内核中，知道卸载函数调用，模块才从内核中国消失。

内核打印：

pringk是内核中出现最频繁的函数之一，通过printk与printf对比，将有助于理解。

不同点：printk在内核中使用，printf在应用程序中使用，printk允许根据严重程度，通过附加不同的“优先级”来对消息分类。

在<linux/kernel.h>中定义了8中记录级别。按照优先级递减的顺序分别是：

KERN_EMERG<0>用于紧急消息，常常是那些崩溃前的消息。

KERN_ALERT<1>需要立刻行动的消息。

KERN_CRIT<2>严重情况。

KERN_ERR<3>错误情况。

KERN_WARNING<4>有问题的警告

KERN_NOTICE<5>正常情况，但是任然值得注意

KERN_INFO<6>信息型消息。

KERN_DEBUG<7>用作调试消息。

没有指定优先级的printk默认使用DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL优先级，它是一个在kernel/printk.c中定义的整数。在2.6.29内核中#define DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL 4。

控制优先级配置

/proc/sys/kernel/printk

6 4 1 7

*Console_loglevel

*Default_message_loglevel

*Minimim_console_level

*Default_console_loglevel

http://blog.chinaunix.net/uid-28732854-id-3848053.html