第四步 Linux初步学习内核

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help：帮助
printenv：查看环境变量
setenv： 添加、修改、删除环境变量
setenv filename test.txt  添加变量filename
setenv filename hello.txt 修改环境变量值为hello.txt
setenv filename   删除环境变量filenames

saveenv : 保存环境变量

tftp通过网络下载文件（注意：使用tftp,需先配置好网络）
setenv ethaddr xx:xx....
setenv ipaddr xx.xx.xx.xx
setenv serverip xx.xx.xx.xx(tftp服务器地址)（Linux的IP地址）
ping 服务器地址 （xx  is alive 说明成功）
vim /etc/xinetd.d/tftp 修改配置（disable=no）
service tftp restart
setenforce 0

文件下载范例：
tftp 0x50008000 uImage.bin
(把tftp服务器的uImage.bin下载到0x50008000处)

bootm {addr} {arg} 执行固定格式的二进制程序
bootm 0x50008000

md addr内存显示（md.b）
mm addr 内存修改命令
nand erase 0x40000000 0x50000000(擦除nand flash 从0x4... 到0x5..的内容)
nand write 内存起始地址 flash起始地址 长度 （写nand flash）
nand read 内存起始地址 flash起始地址 长度
例：nand write 0xc0008000 0x400000 500000

设置自启动：
1.设置从nand flash启动(设置后保存)
setenv bootcmd nand read c0008000 400000 500000 \; bootm c0008000
2.设置自动下载内核到内存后启动
setenv tftp c0008000 uImage.bin \; bootm c0008000

Linux体系结构：
1.user space：用户程序和C库(硬盘、flash中)
2.kernel space：系统调用接口、内核代码等（内存中）
CPU不同工作模式权限不一样，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切换

Linux内核架构：7模块
system call interforce（SCI）
process management（PM）
memory management（MM）
arch
virtual file System (VFS)
Network Stack
Device Drivers(DD)

目录结构：
arch目录：结构体系相关代码
documentation：内核的文档
drivers：驱动
fs:文件系统
net：网络协议实现代码
下载内核源代码：www.kernel.org

下载系统到开发板所须文件： bootloader、内核映象、文件印象

一.Linux内核配置方法：
  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（redhat下出错
 可能没安装包ncurses devel）
  [*] : 内核映象 （必要功能）直接加入内存运行
  <M> : 内核模块 （偶尔调用的功能）需要时才加入内存里面运行
  < > : 不选择该功能

二.内核编译：
  1.编译内核（[*]部分） [1]. make zImage [2]. make bzImage V=1
  2.编译内核模块(<M>部分)
 1>. make modules (编译、时间很长)
 2>. make modules_install

  3.制作init ramdisk(打包)
   方法：mkinitrd initrd-$version $version
 $servion可以通过查询/lib/modules下的目录得到（uname -r）
   例：mkinitrd initrd-2.6.39 2.6.39

三.安装内核：复制内核文件到/boot/
   1.cp linux-2.6.39/arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-$version
   2. cp initrd-$version /boot/
   3. 修改/etc/grub.conf (系统启动时的选项)
      文件最后几行 （title Red Hat...开始）
      复制，改所有的2.6.32.xxx（原版本）为2.6.39（新版本）
   4.重启Linux

四.清理内核： make clean(只清理*.o文件)
      make distclean (清除*.o和.config文件)

下载内核到开发板：
1.make distclean
2.配置内核 make menuconfig ARCH=arm
3.编译内核 make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
(若报错拷贝u-boot/tools/mkimage到/bin/)
4.下载u-boot.bin

根文件系统创建：
  1.创建目录 mkdir rootfs
 cd rootfs
 mkdir bin dev lib proc sbin ysy usr mnt tmp var
 mkdir usr/bin usr/sbin lib/modues

  1.2 创建设备文件
  cd /rootfs/dev
 mknod -m 666 console c 5 1
 mknod -m 666 null c 1 3
  1.3 加入配置文件
 tar etc.tar.gz
 mv etc/* .../rootfs/etc -rf
  1.4 添加内核模块
 cd .../linux(内核文件目录，之前复制好的)
 make modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
 make modules_install ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=.../rootfs
 (编译在rootfs/lib/module)
  1.5 安装busybox
    1.配置busybox  make menuconfig
   busybox settings -> build options ->
 选中“build busybox as a static binary”静态链接
 cross compiler prefix (arm-linux-)
 
 installation options->
 选中"don't use/usr"
 选中该项可以避免busybox被安装到宿主系统的/usr目录下，破坏宿主系统

 busybox installation prefix（/xxxx/rootfs）
 该选项表明编译后的busybox的安装位置
    2.编译busybox
 make

uImage中包含内核和文件系统压缩包两部分

挂载根文件系统：（根据硬件和系统需求决定）
  1.文件系统类型
   1.基于Nandflash的文件系统 （1）Yaffs2 （2）UbiFS(读)
 2.基于NorFlash的文件系统 Jffs2 （可读可写）
 3.基于内存的文件系统（1）Ramdisk (2)Initramfs(启动速度快)
 4基于网络的文件系统 NFS （用于开发阶段）
  2.使用Initramfs挂载文件系统
 1.cd ..../rootfs/
   ln -s ./bin/busybox init
 2.配置Linux内核，支持initramfs
   cd ../../linux(内核文件夹)
   make menuconfig ARCH=arm
   (找到initial RAM filesysten...改路径为../rootfs)
 3.重新编译内核
   make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
 4.设置环境变量
   setenv bootargs noinitrd console=ttySAC0,115200
   5.下载uImage到开发板
  2.使用NFS挂载文件系统(添加更改文件不需重新下载)
 1.重新配置内核 make menuconfig
   1.取消initial RAM filesysten...
   2.找到filesystem -> network file system ->
     选中root file system on NFS
   3.编译make menuconfig ARCH=arm
 2.参数配置
   setenv bootargs noinitrd
     console=ttySAC0,115200 init=/init
     root=/dev/nfs rw
     nfsroot=192.168.1.3(linux IP):/...../rootfs
     ip=192.168.1.6（开发板IP）:192.168.1.3(linux IP):
  192.168.1.1(网关):255.255.255.0（掩码）::eth0:off
 3.下载内核 tftp c0008000 uImage
 4.重启 bootm c0008000

内核模块本身并不被编译进内核文件（zImage或bzImage）
根据需要动态的安装和卸载

安装： insmod /home/dnw_usb.ko
卸载： rmmod dnw_usb
查看： lsmod(查看系统中所有的内核模块)

内核代码：头文件：linux/init.h  linux/module.h
 加载函数：module_init(xx);（入口）
 卸载函数：module_exit(xx);

内核printk打印级别：
http://www.educity.cn/linux/1582745.html

Makefile编写思路：
1.指明所编译内核模块最终生成文件
2.内核代码路径
3.目标 ：编译内核模块命令

复制编译后*.ko文件到rootfs目录（tftp下载）下载
imsmod安装

模块申明：
MODULE_LICENSE（"遵守的协议"）
申明改模块遵守的许可证协议，如："GPL","GPL v2"等
MODULE_AUTHOR（"作者"）
MODULE_DESCRIPTION（"模块功能描述"）
MODULE_VERSION("V1.0") 
模块参数：用于在加载模块是传递参数给模块
宏 module_param(name,type,perm)
name： 变量名称
type：变量类型，bool:布尔型int：整形charp:字符串行
perm：访问权限  S_TRUGO读权限  S_IWUSR写权限
例：
int a=1;
char *st;
module_param(a,int,S_IRUGO);
module_param(st,charp,S_IRUGO);
内核符号导出：
EXPORT_SYMBOL（符号名）符号可为函数名、变量名等
EXPORT_SYMBOL_GPL（符号名）（只用于包含GPL许可证模块）

linux内存管理子系统：1.物理内存分配 2.地址映射
  虚拟地址映射：（转换过程：页目录+页表过度）
 固定映射的线性地址区、（寄存器等）
 永久内核映射区
 vmalloc区、（固定访问高级内存区）
 直接映射区（虚拟地址=3G+物理地址）
  物理内存分配：（只有访问虚拟地址时才分配实在的内存）

进程管理子系统：
  程序：存放在磁盘上的一系列代码和数据的可执行映像，是一个静止的实体
  进程：是一个执行中的程序，他是动态的实体
  进程四要素：
 1.有一段程序供执行
 2.专用的内核空间栈
 3.有一个task_struct数据结构（进程控制块）用于接受内核调用
 4.有独立的用户空间
 （用户线程：只有共享空间，内核线程：共享用户空间都没有）
  进程状态：
    1.TASK_RUNNING 就绪态（进程刚被创建时）
    2.TASK_INTERRUPTIBLE 阻塞态（等待条件成熟）
    3.TASK_UNINTERRUPTIBLE 阻塞态（不可由其他信号或中断唤醒）
    4.TASK_KILLABLE Linux进入新的睡眠状态（可被SIGKILL唤醒）
    5.TASK_TRACED 正在被调试状态
    6.TASK_DEAD 进程退出状态（调用do_exit）
  进程描述：
    在Linux内核代码中，线程、进程都是用结构task_struct(sched.h)
    来表示，它包含大量描述进程、线程的信息，比较重要的有：
    pid_t pid;(进程号)long state (进程状态)int prio(优先级)

  进程调度：
    1.调度策略：SCHED_FIFO陷入先出实时进程
      SCHED_RR时间片轮转实时进程
  SCHED_NORMAL(SCHED_OTHER)普通分时进程
  SCHED_BATCH批处理进程
  SCHED_IDLE只有在系统空闲才被调用的进程
    2.调度时机：（schedule()函数什么时候被调用）
      主动式：内核中直接调用schedule，当进程需要等待资源而暂停运行时
 会把自己的状态置于挂起（睡眠），并主动请求调度，让出CPU
 范例： current->state=TASK_INTERRUPTIBLE;
              schedule();
 被动式：抢占式调度（分用户态抢占和内核态抢占）
   用户态：从系统调用返回用户空间或中断处理程序返回时
 （内核即将返回用户空间时，如果need_resched标志被设置
  会导致schedule被调用，发生用户抢占），当某个进程耗尽时间片时，
  或者当一个优先级更高的进程进入可执行态的时候，会设置need_resched
 内核态抢占：中断处理程序完成，返回内核空间
  获取信号量再释放信号量等如解锁
    在支持内核抢占的系统中，某些特例下是不允许抢占的：
 v 内核正在运行中断处理。
 v 内核正在进行中断上下文的Bottom Half(中断的底半部)处理。
 硬件中断返回前会执行软中断，此时仍然处于中断上下文中。
 v 进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等，
 当持有这些锁时，不应该被抢占，否则由于抢占将可能导致其
 他进程长期得不到锁，而让系统处于死锁状态。
 v 内核正在执行调度程序Scheduler。抢占的原因就是为了进行
 新的调度，没有理由将调度程序抢占掉再运行调度程序。

    调度时机-抢占计数:
 为保证Linux内核在以上情况下不会被抢占，抢占式内核使用了一个变量
 preempt_count，称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info
 结构中。每当内核要进入以上几种状态时，变量中。每当内核要进入以上几种状
 态时，变量preempt_count就加1，指示内核不允许抢占。每当内核从以上几种状
 态退出时，变量preempt_count就减1，同时进行可抢占的
 判断与调度。
    调度步骤 :
Schedule函数工作流程如下：
 1). 清理当前运行中的进程；
 2). 选择下一个要运行的进程；
 3). 设置新进程的运行环境；
 4). 进程上下文切换 。
 
内核链表：（双向循环链表）
  传统链表：指针指向节点的数据域
  内核链表：指针指向节点指针域
  内核链表-结构：
  struct list_head
  {
  struct list_head *next, *prev;
  };
  内核链表-函数：（使用参考已有内核代码）
 1. INIT_LIST_HEAD:创建链表
 2. list_add：在链表头插入节点
 3. list_add_tail：在链表尾插入节点
 4. list_del
 4. list_del：删除节点
 5. list_entry：取出节点
 6. list_for_each：遍历链表

系统调用：用户程序通过触发软中断，通过swi变量调用内核中相应函数
添加新的系统调用：
 kernel/printk.c中写入自己的函数
 arch/arm/include/asm/unistd.h添加新编号
 arch/arm/kernel/call.S最后中添加新标号
 编译内核make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-Linux-
 编写应用代码调用新添加的函数
 如：
 void pk()
 {
     __asm__ (
     "ldr r7,=363 \n"
     "swi \n"
     :
     :
     :"memory");
 }
 
 void main()
 {
     pk(); 
 }