Linux內核設計第三週——構造一個簡單的Linux系統

Linux內核設計第三週——構造一個簡單的Linux系統

by蘇正生

原創做品轉載請註明出處

《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

1、知識點總結

1.Linux內核源代碼簡介

• arch目錄：代碼量大，使咱們重點關注的（如其中的X86）。

• document：文檔；

• fs：文件系統

• init：內核啓動相關的代碼都在init目錄下（start_kernel函數至關於普通C程序的main函數。）

• ipc：進程間通訊；

• kernel目錄：Linux內核的核心代碼在此目錄下

• lib：庫文件

• mm：內存管理

• net：網絡管理

2.簡單分析一下start_kernel

計算機三個法寶：

1. 存儲程序計算機
2. 函數調用堆棧
3. 中斷

操做系統兩把寶劍：

1.中斷上下文的切換
2.進程上下文的切換

跟蹤內核的啓動過程：

1. 找到init目錄下的main.c

2. init_task即手工建立的PCB，0號進程即最終的idle進程。

3. 無論分析內核的哪一部分都會涉及到start_kernel,由於：全部的模塊都是初始化都是經過start_kernel調用完成的。

【trap_init：涉及到中斷的一些調用、陷阱門】
【mm_init：內存管理模塊】
【rest_init：是一個0號進程，建立了1號進程kernel_init當系統內有進程須要執行時就調度到idle進程】

3.使用gdb跟蹤調試Linux內核的方法

命令：

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s-S

【s選項的說明：

• -S：在CPU初始化以前凍結起來

• -s：在-gdb tcp::1234端口上建立了一個gdb server。】
  #構造一個簡單的linux系統MenuOS

1. 編譯內核

2. 製做根文件系統（init是第一個用戶態進程，是1號進程）

3. 啓動MenuOS

2、實驗過程

1.打開shell

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

2.使用gdb進行調試

3.將斷點設置到start_kernal

 

3、實驗分析及總結

1.實驗分析

本次實驗在作的時候並非特別明白，經過老師上課講解以後，對於實驗的過程和每部分的做用有了相對清晰地認識。

2.實驗總結

內核啓動過程：在start_kernel內核啓動後，rest_init()做爲一個0號進程就一直存在；而後這個0號進程就建立了1號進程kernel_init，接下來還建立了其餘的一些服務類的內核線程。

在參考文件裏還有一些可參考的內容，列在這裏，以便查閱：

1. 系統的啓動和初始化
   在基於Intel的系統上，當 loadlin.exe 或 LILO把內核裝入到內存並把控制權傳遞給內核時，內核開始啓動。關於這一部分，看arch/i386/kernel/head.S ，head.S進行特定結構的設置，而後跳轉到init/main.c的main()例程。

2. 內存管理
   內存管理的代碼主要在/mm，但特定結構的代碼在arch/*/mm。缺頁中斷處理的代碼在mm/memory.c ，而內存映射和頁高速緩存器的代碼在mm/filemap.c。緩衝器高速緩存是在mm/buffer.c 中實現，而交換高速緩存是在mm/swap_state.c 和 mm/swapfile.c中實現。

3. 內核
   內核中，特定結構的代碼在arch/*/kernel，調度程序在kernel/sched.c，fork的代碼在kernel/fork.c，task_struct 數據結構在 include/linux/sched.h中。

4. PCI
   PCI 僞驅動程序在 drivers/pci/pci.c ，其定義在include/linux/pci.h。每一種結構都有一些特定的 PCI BIOS 代碼， Intel的在arch/alpha/kernel/bios32.c。

5. 進程間通訊
   全部System V IPC 對象權限都包含在 ipc_perm 數據結構中，這能夠在 include/linux/ipc.h中找到。 System V 消息是在 ipc/msg.c中實現, 共享內存在 ipc/shm.c中，信號量在 ipc/sem.c中，管道在 ipc/pipe.c中實現。

6. 中斷處理
   內核的中斷處理代碼是幾乎全部的微處理器所特有的。中斷處理代碼在 arch/i386/kernel/irq.c中，其定義子在 include/asm-i386/irq.h中。

7. 設備驅動程序
   Linux內核源代碼的不少行是設備驅動程序。Linux設備驅動程序的全部源代碼都保存在/driver，根據類型可進一步劃分爲：

• /block
  塊設備驅動程序如ide(在ide.c)。若是你想看包含文件系統的全部設備是如何被初始化的，你應當看drivers/block/genhd.c中的device_setup()，device_setup()不只初始化了硬盤，當一個網絡安裝nfs文件系統時，它也初始化網絡。塊設備包含了基於IDE和SCSI的設備。

• /char
  這是看字符設備(如tty，串口及鼠標等)驅動程序的地方。

• /cdrom
  Linux的全部CDROM代碼都在這兒，如在這兒能夠找到Soundblaster CDROM的驅動程序。注意ide CD的驅動程序是 ide-cd.c，放在drivers/block，SCSI CD的驅動程序是scsi.c，放在drivers/scsi。

• /pci
  這是PCI僞驅動程序的源代碼，在這裏能夠看到PCI子系統是如何被映射和初始化的。

• /scsi
  在這裏能夠找到全部的SCSI代碼及Linux所支持的scsi設備的全部設備驅動程序。

• /net
  在這裏能夠找到網絡設備驅動程序，如DECChip 21040 PCI 以太網驅動程序在tulip.c中。

• /sound
  這是全部聲卡驅動程序的所在地。

8. 文件系統
   EXT2 文件系統的源代碼所有在 fs/ext2/ 目錄下，而其數據結構的定義在 include/linux/ext2_fs.h, ext2_fs_i.h 及 ext2_fs_sb.h中。 虛擬文件系統的數據結構在 include/linux/fs.h中描述，而代碼是在fs/*中。 緩衝區高速緩存與更新內核的守護進程的實現是在 fs/buffer.c中 。

9. 網絡
   網絡代碼保存在/net中，大部分的include文件在include/net下，BSD套節口代碼在net/socket.c中，IP 第4版本的套節口代碼在net/ipv4/af_inet.c。通常的協議支持代碼(包括sk_buff 處理例程)在net/core下，TCP/IP聯網代碼在net/ipv4下，網絡設備驅動程序在/drivers/net下。

10. 模塊
    內核模塊的代碼部分在內核中，部分在模塊包中，前者所有在kernel/modules.c中，而數據結構和內核守護進程kerneld的信息分別在include/linux/module.h和include/linux/kerneld.h 中。若是你想看ELF目標文件的結構，它位於include/linux/elf.h中。

4、參考文獻

1. 深刻分析Linux內核源碼 http://www.kerneltravel.net/kernel-book/深刻分析Linux內核源碼.html

2. Linux - Linux內核分析 - 實驗樓 https://www.shiyanlou.com/courses/195#

3. Linux內核分析 - 網易雲課堂 http://mooc.study.163.com/learn/USTC-1000029000?tid=2001214000#/learn/hw?id=2001372006