Linux内核初探

在uboot学习的时候, 咱们知道了一个庞大的程序,感受无从下手,但其实,经过韦老师和一些老手的经验告诉我,若是咱们不是专门弄uboot的,通常只用知道怎么用就好了。确实这个东西太大了并且花那么多时间去弄这个也不值得。同理,uboot的终极奥义是启动内核,如今uboot的简单应用咱们已经会了,内核是一个比uboot更加庞大的家伙,只是2440相关的文件都1w多个,要想一接触就弄清楚每一步是干什么的也几乎不可能,可是内核和uboot不一样,里面须要细细研究和借鉴的东西不少,只是刚开始,咱们仍是跟着师傅学一点皮毛,能跑上应用程序再说。显而易见的是如今没有什么教程能教会你linux内核的所有知识,除非linus来教你,^_^。linux

内核操做方式如同uboot同样,依旧先下载内核源码,而后解压缩,而后打补丁。接着就是配置了。ubuntu

如下部份内容借鉴韦老师一学员的笔记,我太懒了,有现成的决不本身来。数组

 搜索到了目录部分截图以下:网络

 而后咱们到arm构架下查看有没有咱们熟悉的配置项,结果是有的,2410:架构

 如今执行make s3c2410_defconfig报错以下:函数

Makefile:416: *** mixed implicit and normal rules: deprecated syntaxpost

Makefile:1449: *** mixed implicit and normal rules: deprecated syntax学习

make: *** No rule to make target 'menuconfig'.  Stopui

由于个人ubuntu是16.04新版的make编译器:spa

 

新版Makefile不支持这样的组合目标:config %config(一个有通配符,另外一个没有通配符)

 

解决方法:

修改linux-2.6.22.6 顶层Makefile 416行:

config %config: scripts_basic outputmakefile FORCE

改成:

%config: scripts_basic outputmakefile FORCE

 

修改linux-2.6.22.6 顶层 Makefile 1449行:

/ %/: prepare scripts FORCE

改成:

%/: prepare scripts FORCE

能够看到生成了.config:

而后make menuconfig,这个会去调用刚才生成的.config

 像上面内核配置的界面,高亮显示的第一个字母是这个选项的快捷键(不区分大小写),按下  / 建进入搜索模式,具体介绍上面图片的英文有说明。

上面是默认配置,和默认配置同等级别或者更高级别的是使用厂家提供的config文件,这里使用韦老师的config_ok文件试试:

使用厂家的配置文件覆盖了.config以后,执行make menuconfig:

 

 

 

 若是根文件系统没有下载到内存,启动内核的时候的会失败。

等于m表明的是编译或模块。看看.config中网卡DM9000的配置:

咱们在内核文件全局搜索一下:grep -w选项表示精确查找

须要注意的是,能搜素到DM9000是咱们要执行make或者make uImage以后,不然搜索不到哦。

能够看看autocnf.h看看自动配置头文件。

还有 Makefile 中有:
drivers\net\Makefile
#obj-$(CONFIG_DM9000) += dm9000.o
#obj-$(CONFIG_DM9000) += dm9ks.o
则:
a. C 源代码中用到 CONFIG_DM9000.C 语言语法看确定是个宏。宏只能在 C 文件或是
头文件中定义。
依照这里的状况,应该是在“include/linux/autoconf.h ”这个头文件中定义。
b. 子目录下的 Makefile 中有 CONFIG_DM9000 配置项(如 drivers/net/Makefile
c. include/config/auto.conf 中有。
d. include/linux/autoconf.h 中有。从 autoconf.h 可猜想这个文件是自动生成的。它里面的内
容来源于
make 内核时, make 机制会自动根据生成的 “.config” 配置文件,生成 autconf.h 这个文
件。
autoconf.h 中搜索 DM9000 获得: #define CONFIG_DM9000 1
可见 CONFIG_DM9000 被定义成一个宏,为“1”。
整个文件 autoconfi.h 中的宏基本都是定义为“1”,就是说无论在 .config 配置文件中,
配置项=y,仍是=m
在这个由 .config 生成的头文件 autoconf.h 中都被定义成“1”。
C 语言源码中就只使用这些 宏 了。这些等于 y 等于 m 的在 autoconf.h 中定义宏时都定
义为“1”,它们的区别则在
使用这些宏的 C 语言中体现不出来了。这些区别是在 Makefile 中定义。看子目录下的
Makefile.
看子目录 dervice/net/Makefile 文件。搜索其中 CONFIG_DM9000 文件。
对于内核的 Makefile,它的子目录的 Makefie 很简单。
2. 内核子目录 Makefile:
1.格式比较简单:内核子目录下的 Makefile
obj-y += xxx.o
xxx.c 的文件最后会被编译进内核中去。
obj-m += yyy.o
yyy.c 文件最后会编译成 可加载 的模块 yyy.ko
这两种格式。
以下示例:
obj-$(CONFIG_DM9000) += dm9000.o
意思:若 CONFIG_DM9000 这个变量被定义为 y 的话,这个 dm9000.c 就会被编译进内核
中去。
若这个配 置 项 CONFIG_DM9000 被 定义为 m 的话 ,这 个 dm9000.c 会被编译成
dm9000.ko 模块
y m 的区别就是在内核的子目录下的 Makefile 中体现的。子目录下的 Makefile
中的 CONFIG_DM9000 是谁来定义的呢?
也是由其余来定义的。由 "include/config/auto.conf " 来定义(这个文件也是来源于 make
内核时的 .config)。从 auto.conf
可知它也是自动生成的。 里面的内核和 .config 文件很像。其中的项要么等于 y,要么等于
m,或其余值。
显然这个 include/config/auto.conf 文件是会被别人包含进去。(被顶层的 Makefile 包含)

配置内核时生成了 .config 文件。而后 make menuconfig 或是 make uImage 时:
1.config 被自动来建立生成了一个 include/linux/autoconfig.h 文件 .这个头文件被 C
代码去对应里面的配置。
2.config 也被自动来生成一个 include/config/auto.conf 文件。这个文件由顶层 Makefile
来包含。由子目录下的 Makefile 来用它。

3、 内核 Makefile
分析 Makefile:找到第一个目标文件和连接文件。

对于 Makefile 的文档在 Documentation\kbuild 下的 makefiles.txt 对内核的 makefile 讲的很透彻。 

子目录下的 Makefile 很简单,就只有几条格式:
obj-y += a.o b.o
obj-m += a.o

2. 架构相关的 Makefile 。(arch/$(ARCH)/Makefile
分析一个 Makefile 时,从它的命令开始分析。编译内核时是直接 make make uImage
从顶层 Makefile 一直往下走时会涉及到全部的东西。
<1> make uImage 时这个目标 uImage 不在顶层的 Makefile 中,在 arch/arm/Makefile
定义了这个目标。
咱们是在顶层目录 make uImage 的,则可知顶层 Makefile 会包含 arch/arm/Makefile

 

3. 顶层目录的 Makefile.
make uImage 命令往下分析。
<1> 目标 uImage 定义在 arch/arm/Makefile 中,找到 uImage 目标所在行,查看它相关
的依赖。

在顶层目录直接输入 make ,默认就是执行第一个目标, "all"就是第一个目标。这个目标也
是依赖于 vmlinux 。即都是要先生成 vmlinux .

init-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))
这是一个 Makefile 的函数。
%/ 表明的是 init/目录下的全部文件。
%/built-in.o 至关于在 init/下的文件所有编译成 built-in.o
这个函数的意思是: init-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y)) = init/built-in.o
init-y 等于 init 目录下全部涉及的那些文件,这些文件会被编译成一个 built-in.o
patsubst :替换通配符。
$(patsubst %.c%.o$(dir) )中, patsubst $(dir)中的变量符合后缀是.c 的所有替换成.o
任何输出。
或者可使用
obj=$(dir:%.c=%.o)
效果也是同样的。

vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)
core-y :核心 libs-y:库 drivers-y:驱动 net-y:网络
Makefile 中搜索 core-y 有以下依赖:
core-y := usr/
core-y += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/
core-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))
意思是最后 core-y = usr/built-in.o
+= kernel/built-in.o
+= mm/built-in.o
+= fs/built-in.o
+= ipc/built-in.o
+= security/built-in.o
+= crypto/built-in.o
+= block/built-in.o
就是将这些目录(usrkernelmmfsipcsecuritycryptoblock)下涉及的文件分别
编译成 built-in.o
不是全部文件,而是涉及到的文件。

libs-y : 依赖
libs-y1 := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))
libs-y2 := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
libs-y := $(libs-y1) $(libs-y2)
最后 libs-y = lib/lib.a
+= lib/built-in.o
drivers-y : 驱动
drivers-y := drivers/ sound/ (依赖了这两个目录)
drivers-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))
意思是最后 drivers-y = drivers/built-in.o (drivers 目录下全部涉及的文件编译成
built-in.o 文件)
+= sound/built-in.o (sound 目录下全部涉及的编译成 built-in.o 文件)
net-y : 网络
net-y := net/
net-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))
意思是最后,将 net/目录下的全部涉及到的文件编译 built-in.o 这个文件。
从面的依赖文件展开来看,源材料就是上面这一大堆东西。这些东西如何组合成一个内核
(连接成在一块),要看 vmlinux 如何编译的。

4. vmlinux 如何编译

 

编译时是经过这些命令来编译的。这些命令最终会生成什么东西?能够经过这里一一分析下
去。这里涉及的脚本、函数太庞大了。没精
力去作。
想知道上在的源材料如何编译成内核:
方法 1:分析 Makefile .
方法 2:直接编译内核。 看编译过程。
a.rm vmlinux 先删除原来编译获得的内核。
b.make uImage V=1 (V=1 是更加详细的列出那些命令。 )
咱们关心详细命令的最后一条。

分析后肯定两个方面:
第一个文件是谁:从上面 make uImage 最后一条命令可知,内核第一个文件是
arch/arm/kernel/head.ohead.S
连接脚本: arch/arm/kernel/vmlinux.lds (决定内核如何排布).

再接着是放全部文件的“.init.text”段。
等等、、、
这些全部文件排放在相应的 “段” 中,排放的顺序就是以下“连接脚本”后面“.o”文件
的排布顺序:

 

4、 机器 ID,启动参数
1. 创建 SI 工程:先是添加全部的代码,再去除不相关的代码。
添加完全部的文件代码后,再移除 ARCH 目录(由于里面有不须要的代码),移除后再进到
ARCH 目录从新
添加 ARM 相关的代码(由于这里处理的是 ARM 平台)

最后添加上平台: Plat-s3c24xx 平台,其余平台不须要加。
<2> include 目录。里面也有不少东西,先“Remove Tree”后,再挑选咱们须要的加进工
程。
include 目录中, asm 开头的目录显然是 架构 相关的头文件。咱们只关心 Asm-arm
arm 架构的头文件。

head.S 作的事情:
0.判断是否支持此 CPU
1.如何比较 机器 ID 是:(判断是否支持单板)
3.建立页表。
4.使能 MMU
5.跳转到 start_kernel (它就是内核的第一个 C 函数)
2. 分析内核源代码:
<1> 经过 make uImage V=1 详细查看内核编译时的最后一条命令可知。
内核中排布的第一个文件是: arch/arm/kernel/head.S
连接脚本: arch/arm/kernel/vmlinux.lds
UBOOT 启动时首先在内存里设置了一大堆参数。

3. 内核启动:最终目标是就运行应用程序。对于 Linux 来讲应用程序在 根文件系统中。须要挂接文件系统。
 
1)处理 UBOOT 传入的参数。
内核中排布的第一个文件是: arch/arm/kernel/head.S

4. 内核:
处理 UBOOT 传入的参数
1.首先判断是否支持这个 CPU
2.判断是否支持这个单板。(UBOOT 启动内核时传进来的:机器 ID bd->bi_arch_number
UBOOT 代码,对于这块开发板是: gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2410

这个 362 这个值存在哪里?从汇编的 C 语言交互规则知道。这个参数 bi_arch_number 是存在r1寄存器中的。

24102440qt2410 的单板代码都强制放在这个地方。
内核启动时,会从 __arch_info_begin = . 开始读,读到 __arch_info_end = . 一个一个的将
单板
信息取出来。将里面的机器 ID UBOOT 传进来的机器 ID 比较。相同则表示内核支持这个
单板。

下面就是比较机器 ID了。(内核中的和 UBOOT传进来的)arch\arm\kernel\head-common.S
从“__lookup_machine_type:”中可知 r5=__arch_info_begin
1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
r5 是: __arch_info_begin
r1 UBOOT 传来的参数: bi_arch_number
teq r3, r1 @ matches loader number?
beq 2f @ found
add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc
cmp r5, r6

blo 1b
mov r5, #0 @ unknown machine
2: mov pc, lr
最后比较成功后,会回到: head.S
以上 单板机器 ID 比较完成。

 

 

 

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);建立内核线程。暂且
认为它是调用 kernel_init 这个函数。这个函数中又有一个: prepare_namespace(),它其中
又有一个: mount_root();挂接根文件系统。

 

 

缩进表示调用关系, prepare_namespace 中执行完了 挂接根文件系统 后,会执行 init_post
函数,

在这个函数中会打开 /dev/console 和 执行应用程序。

__setup(“root=,root_dev_setup):其中 __setup 是一个宏。
大 概 意 思 是 发 现 在 命 令 行 参 数 : bootargc=ninitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc
console=ttySAC0
中的 root= 时,就以这个 root= 来找到“root_dev_setup”这个函数。而后调用这个函数。
这个函数将:
/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0 保存到
strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));”中的变量 saved_root_name 中。
这个变量是个数组。
static int __init root_dev_setup(char *line)
{
strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));
return 1;
}
__setup("root=", root_dev_setup);
__setup 这也是个宏,这个宏也是定义一个结构体。通过分析 UBOOT 和内核可知,这个宏
是个 结构体 。结构体里面有“root=
root_dev_setup 函数指针(结构体中有“名字”和“函数指针”)。

这个结构体中的 段属性强制将其放一个段.init.setup 中,这个段在连接脚本中。

 

 

**********************************************************************
内核启动流程:
arch/arm/kernel/head.S
start_kernel
setup_arch //解析 UBOOT 传入的启动参数
setup_command_line //解析 UBOOT 传入的启动参数
parse_early_param
do_early_param
__setup_start __setup_end,调用 early 函数
unknow_bootoption
obsolete_checksetup
__setup_start __setup_end,调用非 early 函数
rest_init
kernel_init
prepare_namespace
mount_root //挂接根文件系统
init_post
//执行应用程序
early”“非 early”是:
__setup("root=",root_dev_setup)
#define __setup(str, fn)
__setup_param(str,fn,fn,0)中参数"0".
**********************************************************************
从代码里知道,这里 early 这个成员为 0.则没“do_early_param” 和“parse_early_param”,

如今是 root=/dev/mtdblock3 ,咱们说过在 FLASH 中没有分区表。那这个分区 mtdblock3
体如今写死的
代码。和 UBOOT 同样: “bootloader|参数|内核|文件系统”在代码中写死。也是用这个分
区,在代码里也要写死。
启动内核时,会打印出这些“分区信息”。

MTDPART_OFS_APPEND 这个 offset 意思是紧接着上面一个分区的意思。 

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