《linux内核》PPT课件

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,第,15,章 解析,Linux,内核,内核是操作系统的核心，通常说的,Linux,是指,Linux,操作系统的内核，是一组系统管理软件的集合。,Linux,内核是目前最流行的开源操作系统之一，由于其代码的高度开放性，越来越多的人参与到,Linux,内核的研究和开发中。,Linux,内核的功能也在不断提高，性能在不断改进。操作系统内核是软件开发领域比较深的技术点，需要结合软硬件知识才能深入理解。本章由浅入深讲解,Linux,内核，带领读者进入嵌入式开发比较深入的领域，主要内容如下：,如何获取,Linux,内核代码,Linux,内核功能解析,Linux,内核代码布局,Linux,内核镜像结构,15.1,基本知识,Linux,内核是,Linux,操作系统不可缺少的组成部分，但是内核本身不是操作系统。许多,Linux,操作系统发行商如,RedHat,、,Debian,等都采用,Linux,内核，然后加入用户需要的工具软件和程序库，最终构成一个完整的操作系统。嵌入式,Linux,系统是运行在嵌入式硬件系统上的,Linux,操作系统，每个嵌入式,Linux,系统都包括了必要的工具软件和程序库。,15.1.1,什么是,Linux,内核,内核是操作系统的核心部分，为应用程序提供安全访问硬件资源的功能。直接操作计算机硬件是很复杂的，内核通过硬件抽象的方法屏蔽了硬件的复杂性和多样性。通过硬件抽象的方法，内核向应用程序提供了统一和简洁的接口，应用程序设计复杂程度降低。实际上，内核可以被看做是一个系统资源管理器，内核管理计算机系统中所有的软件和硬件资源。,应用程序可以直接运行在计算机硬件上而无需内核的支持，从这个角度看，内核不是必要的。在早期的计算机系统中，由于系统资源的局限，通常采用直接在硬件上运行应用程序的办法。运行应用程序需要一些辅助程序，如程序加载器、调试器等。随着计算机性能的不断提高，硬件和软件源都变得复杂，需要一个统一管理的程序，操作系统的概念也逐渐建立起来。,15.1.2 Linux,内核版本,Linux,内核版本号采用两个“,.”,分割的三个数字来标示，形式为“,X.Y.Z”,。其中，,X,是主要版本号，,Y,是次要版本号，,Z,代表补丁版本号。奇数代表不稳定的版本；偶数代表稳定的版本。“稳定”和“不稳定”是相对的，如,Linux,内核,1.1.0,相对于,1.0.0,来说是“不稳定”版本，但是与,1.1.1,对比是“稳定”版本。在,Linux,内核开发过程中，“不稳定”版本通常是在原有版本基础上增加了新的功能或者新的特性。,15.1.3,如何获取,Linux,内核代码,在,PC,上，一般的,Linux,发行版都提供了内核代码。嵌入式系统没有固定的发行版，需要用户自己获取内核代码。,Linux,内核代码的官方站点是,http:/,www.kernel.org,，该站点提供了,2.4,和,2.6,所有版本的代码和补丁，用户可以打开该地址找到和自己所在物理位置就进的站点，下载自己需要的内核版本代码。高版本,Linux,内核代码文件比较大，对于国内的用户推荐使用,ftp,方式下载，或者使用断点续传工具下载，具体情况可根据读者自身的网络情况选择。,下载,Linux,内核代码后，会得到一个类似“,linux-2.6.xx.tar.gz”,或者“,linux-2.6.xx-tar.bz2”,形式的压缩文件，“,xx”,代表版本号。在,Linux,系统上，通常把这个文件存放在,/,usr/src,目录下，便于以后使用。,15.1.4,编译内核,学习,Linux,内核最好的开始是编译一次,Linux,内核代码，通过配置,Linux,内核可以对内核代码有一个初步的了解。本节介绍一下在,PC,机上如何编译生成,2.6,版本的内核目标文件，在本书第,20,章移植,Linux,部分会讲解如何交叉编译用于,ARM,体系结构的,Linux,内核。,与,2.4,版本相比，,2.6,版本内核代码编译相对较容易。内核编译主要分成配置和编译两部分，其中配置是关键，许多问题都是出在配置环节。,Linux,内核编译配置提供多种方式：,make,config,：,make,menuconfig,：,make,xconfig,：,make,oldconfig,：,15.2 Linux,内核的子系统,内核是操作系统的核心。,Linux,内核提供很多基本功能，如虚拟内存、多任务、共享库、需求加载、共享写时拷贝（,Copy-On-Write,）以及网络功能等。增加各种不同功能导致内核代码不断增加。,Linux,内核把不同功能分成不同的子系统的方法，通过一种整体的结构把各种功能集合在一起，提高了工作效率。同时还提供动态加载模块的方式，为动态修改内核功能提供了灵活性。,15.2.1,系统调用接口,15.2.1,系统调用接口,系统调用是,Linux,内核提供的，用户空间无法直接使用系统调用。在用户进程使用系统调用必须跨越应用程序和内核的界限。,Linux,内核向用户提供了统一的系统调用接口，但是在不同处理器上系统调用的方法各不相同。,Linux,内核提供了大量的系统调用，本书从系统调用的基本原理出发讲解,Linux,系统调用的方法。,15.2.2,进程管理子系统,当一个用户进程被加载后，会进入就绪态，被加入到就绪态队列，,CPU,时间被轮转到就绪态队列后，切换到进程的代码，进程被执行，当进程的时间片到了以后被换出。如果进程发生,I/O,操作也会提前被换出，并且存放到等待队列，当,I/O,请求返回后，进程又被放入就绪队列。,Linux,系统对进程队列的管理设计了若干不同的方法，主要的目的是提高进程调度的稳定性。,15.2.3,内存管理子系统,内存是计算机的重要资源，也是内核的的重要部分。使用虚拟内存技术的计算机，内存管理的硬件按照分页方式管理内存。分页方式是把计算机系统的物理内存按照相同大小等分，每个内存分片称作内存页，通常内存页大小是,4KB,。,Linux,内核的内存管理子系统管理虚拟内存与物理内存之间的映射关系，以及系统可用内存空间。,内存管理要管理的不仅是,4KB,缓冲区。,Linux,提供了对,4KB,缓冲区的抽象，例如,slab,分配器。这种内存管理模式使用,4KB,缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。,15.2.4,虚拟文件系统,虚拟文件系统，即,VFS,（,Virtual File System,）是,Linux,内核中的一个软件抽象层。它通过一些数据结构及其方法向实际的文件系统如,ext2,，,vfat,等提供接口机制。通过使用同一套文件,I/O,系统调用即可对,Linux,中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，文件操作可以在不同文件系统之间进行。,15.2.4,虚拟文件系统,15.2.5,网络堆栈,第九章介绍了,Linux,系统下如何编写网络应用程序，使用,socket,通过,TCP/IP,协议与其他机器通信，和前面介绍的内核子系统相似，,socket,相关的函数也是通过内核的子系统完成的，担当这部分任务的是内核的网络子系统，一些资料里也把这部分代码称为“网络堆栈”。,Linux,内核提供了优秀的网络处理能力和功能，这与网络堆栈代码的设计思想是分不开的，,Linux,的网络堆栈部分沿袭了传统的层次结构，网络数据从用户进程到达实际的网络设备需要四个层次。,15.2.5,网络堆栈,15.2.6,设备驱动,Linux,内核对设备按照主设备号和从设备号的方法访问，主设备号描述控制设备的驱动程序，从设备号区分同一个驱动程序的不同设备。也就是说，主设备号和设备驱动程序对应，代表某一类型的设备，从设备号和具体设备对应，代表同一类的设备编号。如使用,IDE,接口的两个硬盘，主设备号都相同，但是从设备号不同。,Linux,提供了,mknod,命令创建设备驱动程序的描述文件，后面设备驱动相关章节具体讲解。,Linux,内核这种主从设备号的分类方法可以很好的管理设备。,15.2.7,依赖体系结构的代码,Linux,内核支持众多体系结构，内核把与设备无关的代码放在,arch,目录，对应的头文件放在,include/,asm,-,目录下。这样的划分代码结构清晰，同时提高了代码的复用率。在,arch,目录里，每个子目录对应一种体系结构，存放这种体系结构对应的代码，如果代码较多会单独建立一个目录，例如,arch/arm,目录下，有一个,kernel,目录，存放的是,kernel,目录中在,arm,体系结构上特有的函数或者实现方法；在,arch/i386,目录存放了,Intel X86,体系结构的代码，不仅有,kernel,目录，而且还有多个目录，例如,mm,目录包含了,x86,体系上内存管理的实现方法，,math-emu,包含了,x86,体系上浮点数模拟的实现等。读者在阅读内核代码的时候可以从一个体系结构代码入手，对不同体系结构移植代码的主要工作是,arch,里面的代码。,15.3 Linux,内核代码的工程结构,随着,Linux,内核功能的不断增加，内核代码也在飞速增长，目前,2.6,版本的内核代码早已达到数百万行。如此庞大的代码量，不仅给学习带来困难，对代码的维护也是一个不小的挑战，幸好,Linux,内核开发人员早就考虑到了这一点，使得,Linux,内核代码组织有序，本节重点讲述,Linux,内核代码的结构。,15.3.1,源代码目录布局,15.1.3,节讲述了如何获取到,Linux,内核代码，通常会存放在,/,usr/src,目录下，如果是,2.6,版本的内核解压后会得到例如,linux-2.6.xx,类型的目录，这个目录下存放的就是,Linux,内核代码。进入内核代码目录，查看文件列表，会看到许多的目录和文件，如果读者的系统有,tree,这个命令或者脚本，可以查看到,Linux,内核代码的文件数，那会是一个很庞大的结构。好在,Linux,内核代码的工程组织是很好的，对于不同版本的内核，在工程组织上是基本一致的，有的仅是功能上的差别。,15.3.2,几个重要的,Linux,内核文件,当用户编译一个,Linux,内核代码后，会生成几个文件：,vmlinuz,，,initrd.img,，以及,System.map,，如果读者配置过,grub,引导管理器程序，会在,/boot,目录下看到这几个文件。,1,vmlinuz,文件,2,initrd,文件,3,System.map,文件,15.4,内核编译系统,Linux,内核代码的复杂，需要一个强大的工程管理系统，幸好,GNU,提供了,Makefile,机制，此外，内核的开发者们还提供了,KBuild,机制。通过,Makefile,和,KBuild,的结合，可以出色的管理,Linux,内核代码。,Linux,内核的编译系统和代码结构是紧密联系的，了解内核编译系统对分析内核代码和编译内核都有帮助作用。,15.4.1,内核编译系统基本架构,Linux,内核编译系统有,5,种类型的文件。,文件类型,作用,Makefile,顶层,Makefile,文件,.,config,内核配置文件,arch/$(ARCH)/,Makefile,机器体系,Makefile,文件,scripts/,Makefile,.*,所有内核,Makefiles,共用规则,kbuild,Makefiles,其它,Makefile,文件,15.4.2,内核顶层,Makefile,分析,编译内核代码的时候，顶层,Makefile,文件在开始编译子目录下的代码之前，设置编