Linux内核设计第三周——构造一个简单的Linux系统

Linux内核设计第三周——构造一个简单的Linux系统

by苏正生

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

一、知识点总结

1.Linux内核源代码简介

• arch目录：代码量大，使我们重点关注的（如其中的X86）。

• document：文档；

• fs：文件系统

• init：内核启动相关的代码都在init目录下（start_kernel函数相当于普通C程序的main函数。）

• ipc：进程间通信；

• kernel目录：Linux内核的核心代码在此目录下

• lib：库文件

• mm：内存管理

• net：网络管理

2.简单分析一下start_kernel

计算机三个法宝：

1. 存储程序计算机
2. 函数调用堆栈
3. 中断

操作系统两把宝剑：

1.中断上下文的切换
2.进程上下文的切换

跟踪内核的启动过程：

1. 找到init目录下的main.c

2. init_task即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。

3. 不管分析内核的哪一部分都会涉及到start_kernel,因为：所有的模块都是初始化都是通过start_kernel调用完成的。

【trap_init：涉及到中断的一些调用、陷阱门】
【mm_init：内存管理模块】
【rest_init：是一个0号进程，创建了1号进程kernel_init当系统内有进程需要执行时就调度到idle进程】

3.使用gdb跟踪调试Linux内核的方法

命令：

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

【s选项的说明：

• -S：在CPU初始化之前冻结起来

• -s：在-gdb tcp::1234端口上创建了一个gdb server。】
  #构造一个简单的linux系统MenuOS

1. 编译内核

2. 制作根文件系统（init是第一个用户态进程，是1号进程）

3. 启动MenuOS

二、实验过程

1.打开shell

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

2.使用gdb进行调试

3.将断点设置到start_kernal

 

三、实验分析及总结

1.实验分析

本次实验在做的时候并不是特别明白，通过老师上课讲解之后，对于实验的过程和每部分的作用有了相对清晰地认识。

2.实验总结

内核启动过程：在start_kernel内核启动后，rest_init()作为一个0号进程就一直存在；然后这个0号进程就创建了1号进程kernel_init，接下来还创建了其他的一些服务类的内核线程。

在参考文件里还有一些可参考的内容，列在这里，以便查阅：

1. 系统的启动和初始化
   在基于Intel的系统上，当 loadlin.exe 或 LILO把内核装入到内存并把控制权传递给内核时，内核开始启动。关于这一部分，看arch/i386/kernel/head.S ，head.S进行特定结构的设置，然后跳转到init/main.c的main()例程。

2. 内存管理
   内存管理的代码主要在/mm，但特定结构的代码在arch/*/mm。缺页中断处理的代码在mm/memory.c ，而内存映射和页高速缓存器的代码在mm/filemap.c。缓冲器高速缓存是在mm/buffer.c 中实现，而交换高速缓存是在mm/swap_state.c 和 mm/swapfile.c中实现。

3. 内核
   内核中，特定结构的代码在arch/*/kernel，调度程序在kernel/sched.c，fork的代码在kernel/fork.c，task_struct 数据结构在 include/linux/sched.h中。

4. PCI
   PCI 伪驱动程序在 drivers/pci/pci.c ，其定义在include/linux/pci.h。每一种结构都有一些特定的 PCI BIOS 代码， Intel的在arch/alpha/kernel/bios32.c。

5. 进程间通信
   所有System V IPC 对象权限都包含在 ipc_perm 数据结构中，这可以在 include/linux/ipc.h中找到。 System V 消息是在 ipc/msg.c中实现, 共享内存在 ipc/shm.c中，信号量在 ipc/sem.c中，管道在 ipc/pipe.c中实现。

6. 中断处理
   内核的中断处理代码是几乎所有的微处理器所特有的。中断处理代码在 arch/i386/kernel/irq.c中，其定义子在 include/asm-i386/irq.h中。

7. 设备驱动程序
   Linux内核源代码的很多行是设备驱动程序。Linux设备驱动程序的所有源代码都保存在/driver，根据类型可进一步划分为：

• /block
  块设备驱动程序如ide(在ide.c)。如果你想看包含文件系统的所有设备是如何被初始化的，你应当看drivers/block/genhd.c中的device_setup()，device_setup()不仅初始化了硬盘，当一个网络安装nfs文件系统时，它也初始化网络。块设备包含了基于IDE和SCSI的设备。

• /char
  这是看字符设备(如tty，串口及鼠标等)驱动程序的地方。

• /cdrom
  Linux的所有CDROM代码都在这儿，如在这儿可以找到Soundblaster CDROM的驱动程序。注意ide CD的驱动程序是 ide-cd.c，放在drivers/block，SCSI CD的驱动程序是scsi.c，放在drivers/scsi。

• /pci
  这是PCI伪驱动程序的源代码，在这里可以看到PCI子系统是如何被映射和初始化的。

• /scsi
  在这里可以找到所有的SCSI代码及Linux所支持的scsi设备的所有设备驱动程序。

• /net
  在这里可以找到网络设备驱动程序，如DECChip 21040 PCI 以太网驱动程序在tulip.c中。

• /sound
  这是所有声卡驱动程序的所在地。

8. 文件系统
   EXT2 文件系统的源代码全部在 fs/ext2/ 目录下，而其数据结构的定义在 include/linux/ext2_fs.h, ext2_fs_i.h 及 ext2_fs_sb.h中。 虚拟文件系统的数据结构在 include/linux/fs.h中描述，而代码是在fs/*中。 缓冲区高速缓存与更新内核的守护进程的实现是在 fs/buffer.c中 。

9. 网络
   网络代码保存在/net中，大部分的include文件在include/net下，BSD套节口代码在net/socket.c中，IP 第4版本的套节口代码在net/ipv4/af_inet.c。一般的协议支持代码(包括sk_buff 处理例程)在net/core下，TCP/IP联网代码在net/ipv4下，网络设备驱动程序在/drivers/net下。

10. 模块
    内核模块的代码部分在内核中，部分在模块包中，前者全部在kernel/modules.c中，而数据结构和内核守护进程kerneld的信息分别在include/linux/module.h和include/linux/kerneld.h 中。如果你想看ELF目标文件的结构，它位于include/linux/elf.h中。

四、参考文献

1. 深入分析Linux内核源码 http://www.kerneltravel.net/kernel-book/深入分析Linux内核源码.html

2. Linux - Linux内核分析 - 实验楼 https://www.shiyanlou.com/courses/195#

3. Linux内核分析 - 网易云课堂 http://mooc.study.163.com/learn/USTC-1000029000?tid=2001214000#/learn/hw?id=2001372006