Linux 内核开发—内核简介

内核简介

Linux 构成

Linux 为什么被划分为系统空间和内核空间

隔离核心程序和应用程序，实现对核心程序和数据的保护。

什么内核空间，用户空间

内核空间和用户空间是程序运行的两种不同的状态，Linux对自身软件系统进行了划分，一部分核心的软件独立于普通的软件，拥有特权级别，能够访问平台的所有硬件和资源，称为“内核空间”。而普通的软件运行在“用户空间”，它只拥有有限的系统资源，不能直接访问内核空间和硬件资源。

将系统分为“内核空间”和“系统空间”能提高系统的安全性，能够避免一些恶意程序的窥探，也能避免一些低劣的普通程序影响核心系统的运行，能够有效的保证系统的稳定性。

内核构成

SCI：

为用户空间提供了一套统一的系统调用函数来访问Linux内核，是用户空间到内核空间的桥梁。

Glibc：

是GNU发布的libc库，也是C运行库，是Linux中最底层的API，几乎所有的app都依赖于Glibc，它除了封装Linux系统提供的系统函数以外，其自身也提供了很多其他的功能的函数库，主要的库函数如下：

（1）string库，字符串处理库函数

（2）signal库，提供信号处理库函数

（3）dlfcn库，管理共享库的动态加载函数库

（4）directory库，文件目录操作函数

（5）elf库，共享库的动态加载器，也即interpreter

（6）iconv，不同字符集的编码转换

（7）sockets，socket接口库

（8）Date and Time，日期和时间

（9）input/output，输入输出流

（10）linux threads库，LINUX线程库函数

（11）locale库，本地化和国际化的接口库

（12）Character库，字符处理

（13）Memory库，动态内存的分配与管理

（14）Processes and job control库，进程和进程控制库

（15）stdlib库，其它基本功能 

内存管理：

控制多个进程安全的共享有限的内存区域。

进程管理：

进程管理的主要任务包括进程的创建、停止、进程间通信，还包括不同的进程共享CPU。

VFS：

虚拟文件系统隐藏了不同文件系统的细节，为文件操作提供了统一的接口。

网络协议栈：

提供丰富的网络协议实现。

设备驱动：

内核中大量的源码都是在驱动中实现的，它们控制着特定的硬件设备。

 

ARM 有哪些工作模式

用户模式(user)

快速中断模式(frq)

外部中断模式(irq)

管理模式(svc)

数据访问终止(abt)

系统模式(sys)

为定义指令异常(und)

不同模式下有不同权限，如寄存器权限

内核空间和用户空间如何转换

硬件中断和系统调用可以实现用户空间跳转到内核空间运行

 

Linux内核源代码

内核源代码下载地址:www.kernel.org

 

内核目录结构

Arch(Architecture)：内核支持的每一种CPU体系，在该目录下都有一个子目录，每个不同的CPU子目录又都分为boot(系统引导)、mm(内存管理)、kernel(内核特性相关实现)等子目录。

|--x86 /*英特尔CPU及与其体系结构兼容的子目录*/

||--boot /*引导程序*/

|||--compressed /*内核解压缩*/

||--tools /*生成压缩内核印象的程序*/

||--kernel /*内核特性相关的实现，如信号处理、时钟处理*/

||--lib /*硬件相关工具函数*/

 

目录结构

Linux source code

├─ boot 系统引导汇编程序

├─ fs 文件系统

│ ├─ 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

├─ block 部分块设备驱动程序

├─ crypto 加密、压缩、CRC校验算法

├─ 内核的文档

├─ drivers 设备驱动程序 

├─ include 头文件(*.h) 内核所需的头文件，与平台相关的头文件放在相应的字目录下

│ ├─ asm 与CPU 体系结构相关的部分

│ ├─ linux  Linux 内核专用部分，与平台无关的头文件

│ └─ sys 系统数据结构部分

├─ init 内核初始化程序

├─ IPC 进程间通信的实现代码

├─ samples 一些内核编程的范例

├─ scripts 配置内核的脚本

├─ sound 音频设备的驱动程序

├─ usr cpio 命令实现

├─ virt 内核虚拟机

├─ kernel 内核进程调度、信号处理、系统调用等程序

│ ├─ blk_drv 块设备驱动程序

│ ├─ chr_drv 字符设备驱动程序

│ └─ math 数学协处理器仿真处理程序

├─ lib 内核库函数

├─ mm 内存管理程序

└─ tools 生成内核Image 文件的工具程序

 

Linux内核配置与编译

硬件的软硬件的配置情况，比如CPU的型号、网卡的型号、支持的网络协议等。

内核配置相关命令

1)清除类命令
make clean ：清除kernel目录下大部分编译生成的文件。
make mrproper ：清除所有编译生成的文件+配置文件(config等相关文件)。
make distclean ：清除所有backup 文件 + patch 文件 + make mrproper

2）配置命令
make config ：基于纯文本模式的交互式配置模式。
make menuconfig ：基于文本模式的菜单性配置模式(推荐使用)。
make oldconfig ：与 make config 类似，使用已有的配置文件进行配置，对于新增的菜单会进行提示。
make xconfig ：基于图形化界面的配置方式，需呀安装图形化工具。
make menuconfig 是最常用的内核配置命令，可以使用方向键上/下移动，“Enter”进入目录，每个配置选项可以选择“y”、“m”、“n”，也可以使用空格在这三个选项中进行切换。并且可以使用“h”显示这个选项的说明。
“y” ：表示会被编译进内核的镜像文件。
“m” ：表示会被编译成内核模块，不会放在内核的镜像文件的。
“n” ：(空白) 表示不会对此模块进行编译，更不会放在内核镜像中。

内核配置选项说明

    一般在开发的时候不会从无到有重新配置所有的选项，而是在一个已有的配置文件基础之上根据实际的需求进行修改得到新的配置文件。Linux提供了一系列的配置文件模板，放在：Arch/$(cpu)/configs
 

内核镜像文件

对于Linux内核，编译可以生成不同的镜像文件

• zImage ：

ARM Linux常用的一种镜像格式，它的大小不能超过512KB，使用gzip压缩

• bzImage ：

即bigImage，没有512KB大小限制，使用gzip压缩

• uImage ：

U-boot 专用的镜像压缩格式，他是在镜像文件的头部加上了一个大小为0x40的数据块，记录了镜像文件的类型、加载位置、生成时间、大小等信息。去掉这个0x40的头部实际和zImage没有区别。

• vmlinux：

     是一个Elf格式的可执行文件，编译完成后会将所有的内核模块链接到一个vmlinux中。

• vmlinuz：

    vmlinux是一个可引导的、压缩的镜像文件，它是vmlinux的压缩文件。vm 是“virtual memory”的简写，因为Linux 支持虚拟内存，可以使用硬盘作为虚拟内存，因此得名“vm”，实际上zImage和bzImage都是vmlinuz的别称，zImage和bzImage都是采用gzip压缩，在其文件的头部有解压缩代码。
    对于更直观的联系请参考下图：
   

内核的编译

1）    编译内核镜像
编译内核命令:

• make zImage
• make bzImage
• make uImage

如果要获取详细的内核编译信息可以使用

• make zImage V=1
• make bzImage V=1

编译好的内核会放在arch/$(cpu)/boot/目录下

2）    编译内核模块

• make modules

3）    安装内核模块
make modules_install
4）    查看内核版本

• cat /proc/version
• uname –a
• uname -r

虚拟内存盘(Ramdisk/Ramfs)

    Ramdisk 是将一部分内存(RAM)虚拟成硬盘来使用的技术，相对于直接的硬盘访问来说，ramdisk的访问速度要高很多，不过由于RAM的易失性，断电后ramdisk上的内容不会被保存。
Linux 上的Ramdisk主要是指linux rootfs，它包含了除内核以外所有的linux系统在引导和管理师需要的工具(通常会使用busybox来完成ramdisk的创建)

根文件系统

1）根文件系统概念

    根文件系统是其他文件系统的根，它包含了系统引导和挂载其他文件系统的必要文件。根文件系统包含了linux启动时必要的目录和关键性文件，所以它必须是第一个加载的文件系统。

内核的安装

1）如何加载运行内核镜像

内核模块

什么是内核模块

内核模块就是为内核或者其他内核模块提供功能的代码块，内核模块具有举例的功能，能独立的编译，但是需要在内核环境下才能运行。它在运行时被链接进内核作为内核的一部分在内核空间运行。内核模块的存在提高了单内核可可扩展性差、可维护性差的缺陷。

 

如何使用内核模块

方法一：

将所有的内核组件都编译进内核，生成zImage或者bzImage文件。

缺陷：内核文件过大、新增/删除内核组件的时候需要重新编译源码

方法二：

zImage或者bzImage文件并不包含任何组件，只是在需要用到某个组件的时候，动态的将内核组件添加到内核中去。

 

内核模块的特点

1)模块本身并不被编译进内核文件

2)可根据需求，在内核运行期间，动态的添加或者卸载

 

内核模块缺陷

增加了管理内核模块的开销

内核版本与模块版本不兼容，会导致系统崩溃

增加内存、中断、符号表等资源消耗

 

内核模块的编译

Makefile

 ifneq ($(KERNELRELEASE),)#“hello”是模块的名称，只有“hello”可变。obj-m := hello.ohello-objs := file1.o file2.o else #内核源代码的位置KDIR := ~/kernel/all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:rm -f *.ko *.o *.mod.c *.mod.o *.symversendif

 

内核模块的安装与卸载

命令：

1) insmod 加载内核模块

2) rmmod 卸载内核模块

3)lsmod 查看已经存在的内核模块

4)modprobe 加载内核模块

modprobe 与 insmod的区别在于，modprobe能处理内核模块之间的依赖关系，它能够根据/lib/modules/version/modules.dep 文件所描述的依赖关系来加载此模块所需的其他内核模块。

 

内核模块与应用程序的差别

1) 应用程序在执行完成后会从内存中消失

2) 内核模块会在执行该模块前将其注册到内核中去，当完成初始化函数后仍然处于内核中，直到被卸载

 

内核模块相关宏

1) MODULE_LICENSE("GPL");

2) MODULE_AUTHOR("Jack Chen");

3) MODULE_DESCRIPTION("Hello World");

4) MODULE_ALIAS("A simple module");

5) MODULE_VERSION("V1.0");

 

带参数的内核模块

可以使用宏module_param(name,type,perm)声明输入参数，其中：

1) name 表示参数的名称

2) type 表示参数的类型，常见的类型有int(整形)，charp(字符串类型)

3) perm 访问权限

a) S_IRUGO 任何用户都对/sys/module中出现的该参数具有读权限

b) S_IWUSR 允许root用户修改/sys/module 中出现的该参数

 

#include<linux/init.h>#include<linux/module.h> MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Jack Chen");MODULE_DESCRIPTION("Hello World");MODULE_ALIAS("A simple module");MODULE_VERSION("V1.0"); static int age = 10;static char* name = "Jack chen"; module_param(age,int,S_IRUGO);module_param(name,charp,S_IRUGO); static int hello_init(void){printk(KERN_EMERG" age:%d\n",age);printk(KERN_EMERG" name:%s\n",name);return 0;} static void hello_exit(void) {printk("<3>Goodbye,world !\n");} module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);

 

PS:使用insmod命令时的语法为 insmod hello.ko age=27 name=”David”

 

内核模块的导出

用于向其他内核模块提供功能函数，否则其他内核模块无法使用模块内的功能函数,其中/proc/kallsyms记录了内核中所有导出符号的名字和地址。

1) EXPORT_SYMBOL(符号名)

2) EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名) 适用于包含了GPL许可证的的内核模块

使用EXPORT_SYMBOL声明后的符号将添加在/proc/kallsyms 文件中，可以使用cat/proc/kallsyms | grep “符号名” 查询

 

[calculate.c]

#include <linux/init.h>                                #include <linux/module.h>                                MODULE_LICENSE("GPL");                                                                int add_integar(int a,int b)                                {                                return a+b;                             }                                int sub_integar(int a,int b)                                {                                return a-b;                             }                             static int __init sym_init(){    return 0;} static void __exit sym_exit(){ } module_init(sym_init);module_exit(sym_exit); EXPORT_SYMBOL(add_integar); EXPORT_SYMBOL(sub_integar); 

[hello.c]

#include <linux/module.h>#include <linux/init.h> MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Jack Chen");MODULE_DESCRIPTION("Hello World");MODULE_ALIAS("A simple module");MODULE_VERSION("V1.0"); extern int add_integar(int a,int b); extern int sub_integar(int a,int b); static int hello_init(){    int res = add_integar(1,2);    printk("<3> res:%d\n",res);    return 0;} static void hello_exit(){    int res = sub_integar(2,1);        printk("<3> res:%d\n",res);} module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);

printk 的优先级

1) printk的日志级别定义如下（在linux26/includelinux/kernel.h中）： 

2) #defineKERN_EMERG"<0>"/*紧急事件消息，系统崩溃之前提示，表示系统不可用*/

3) #defineKERN_ALERT"<1>"/*报告消息，表示必须立即采取措施*/

4) #defineKERN_CRIT"<2>"/*临界条件，通常涉及严重的硬件或软件操作失败*/

5) #defineKERN_ERR"<3>"/*错误条件，驱动程序常用KERN_ERR来报告硬件的错误*/

6) #defineKERN_WARNING"<4>"/*警告条件，对可能出现问题的情况进行警告*/

7) #defineKERN_NOTICE"<5>"/*正常但又重要的条件，用于提醒。常用于与安全相关的消息*/

8) #defineKERN_INFO"<6>"/*提示信息，如驱动程序启动时，打印硬件信息*/

9) #defineKERN_DEBUG"<7>"/*调试级别的消息*/