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實(shí)驗(yàn) 01 內(nèi)核開發(fā)基礎(chǔ)-基于迅為4412開發(fā)板 1.1 本章導(dǎo)讀 本實(shí)驗(yàn)將帶您學(xué)習(xí)一遍 Linux 的框架和源碼目錄結(jié)構(gòu)。 從任何地方拿到的 Linux 源碼，都有幾百 M 大小，包含上萬(wàn)個(gè)文件。 這么多的文件！那么問題來(lái)了，應(yīng)該從什么地方入手呢？ 哪些內(nèi)容應(yīng)該“深入研究”？ 哪些內(nèi)容應(yīng)該“驚鴻一瞥”？ 哪些內(nèi)容應(yīng)該“束之高閣”？ 本期實(shí)驗(yàn)“內(nèi)核開發(fā)基礎(chǔ)”,帶大家快速梳理一遍，把和學(xué)習(xí)無(wú)關(guān)的內(nèi)容剔除掉。 1.1.1 工具 1.1.1.1 硬件工具 PC 機(jī)一臺(tái) 1.1.1.2 軟件工具 軟件 Source Insight Linux 源碼“iTop4412_Kernel_3.0_xxx”（在光盤目錄“/Android 源碼”文件夾下,xxx表示日期） 1.1.2 預(yù)備課程 視頻教程“01-燒寫、編譯以及基礎(chǔ)知識(shí)視頻”→“實(shí)驗(yàn) 12-使用 Source Insight 加載和閱讀內(nèi)核源碼” 使用手冊(cè)“3.5 Source Insight 的安裝和使用” 1.1.3 視頻資源 本節(jié)配套視頻為“視頻 01_內(nèi)核開發(fā)基礎(chǔ)” 1.2 學(xué)習(xí)目標(biāo) 本章需要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容： 理解 Linux 體系結(jié)構(gòu) 了解 Linux 內(nèi)核結(jié)構(gòu) 了解 Linux 內(nèi)核源碼目錄結(jié)構(gòu) 了解學(xué)習(xí) Linux 的大方向→驅(qū)動(dòng) 1.3 Linux 體系結(jié)構(gòu) 如下圖所示，Linux 體系結(jié)構(gòu)，從大的方面可以分為用戶空間（User Space）和內(nèi)核空間（Kernel Space）。 
用戶空間中包含了 C 庫(kù)，用戶的應(yīng)用程序。在某些體系結(jié)構(gòu)圖中還包含了 shell，當(dāng)然shell 腳本也是 Linux 體系中不可缺少的一部分。 內(nèi)核空間包括硬件平臺(tái)、平臺(tái)依賴代碼、內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用接口。 在任何一個(gè)現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，都是分層的。為什么需要分層呢？ 從程序員的角度分析，將 linux 底層和和應(yīng)用分開，將 linux 底層和應(yīng)用分開，做應(yīng)用的做應(yīng)用，做底層的做底層，各干各的。經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本原理是，分工產(chǎn)生效率。 從安全性的角度分析，是為了保護(hù)內(nèi)核�，F(xiàn)代 CPU 通常都實(shí)現(xiàn)了不同的工作模式。 以 ARM 為例：ARM 實(shí)現(xiàn)了 7 種工作模式，不同模式下 CPU 可以執(zhí)行的指令或者訪問的寄存器不同： (1)用戶模式 usr (2)系統(tǒng)模式 sys(3)管理模式 svc(4)快速中斷 fiq(5)外部中斷irq(6)數(shù)據(jù)訪問終止 abt(7)未定義指令異常。如果任何一個(gè)上層應(yīng)用都可以調(diào)用都可以調(diào)用寄存器，那樣肯定是無(wú)法穩(wěn)定執(zhí)行的。而且因?yàn)槌霈F(xiàn)了這個(gè)問題，出現(xiàn)了一個(gè)新的學(xué)科“現(xiàn)代操作系統(tǒng)”，如果大家感興趣可以看一下“現(xiàn)代操作系統(tǒng)”相關(guān)文章或者書籍。 以 X86 為例：X86 實(shí)現(xiàn)了 4 個(gè)不同級(jí)別的權(quán)限，Ring0—Ring3 ;Ring0 下可以執(zhí)行特權(quán)指令，可以訪問 IO 設(shè)備；Ring3 則有很多的限制 如果分析一下 Android 的，這方面做的更加“喪心病狂”，Android 所有的 APK 應(yīng)用程序，都是在 Java 虛擬機(jī)上面運(yùn)行，應(yīng)用程序更加遠(yuǎn)離底層。 另外，用戶空間和內(nèi)核空間是程序執(zhí)行的兩種不同狀態(tài)，可以通過“系統(tǒng)調(diào)用”和“硬件中斷”來(lái)完成用戶空間到內(nèi)核空間的轉(zhuǎn)移。 1.4 Linux 內(nèi)核結(jié)構(gòu) 這一節(jié)，分析一下內(nèi)核結(jié)構(gòu)。 如下圖所示，是 Linux 內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖。
SCI 層（System Call Interface），這一層是給應(yīng)用用戶空間提供一套標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來(lái)訪問 Linux。前面分析 Linux 體系結(jié)構(gòu)的時(shí)候，介紹過任何一類現(xiàn)代操作系統(tǒng)都不會(huì)允許上層應(yīng)用直接訪問底層，在 Linux 中，內(nèi)核提供了一套標(biāo)準(zhǔn)接口，上層應(yīng)用就可以通過這一套標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)訪問底層。 PM（Procees Management），這一部分包括具體創(chuàng)建創(chuàng)建進(jìn)程（fork、exec）,停止進(jìn)程（kill、exit）,并控制他們之間的通信（signal 等）。還包括進(jìn)程調(diào)度，控制活動(dòng)進(jìn)程如何共享 CPU。這一部分是 Linux 已經(jīng)做好的，在寫驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，只需要調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)這些功能，例如創(chuàng)建進(jìn)程、進(jìn)程通信等等。 MM（Memory Management），內(nèi)存管理的主要作用是控制多個(gè)進(jìn)程安全的共享內(nèi)存區(qū)域。 VFS（Virtual File Systems），虛擬文件系統(tǒng)，隱藏各種文件系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)，為文件操作提供統(tǒng)一的接口。在 Linux 中“一切皆文件”，這些文件就是通過 VFS 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Linux 提供了一個(gè)大的通用模型，使這個(gè)模型包含了所有文件系統(tǒng)功能的集合。如下圖所示，是一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
Device Drivers 設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這一部分就是需要學(xué)習(xí)和掌握的。Linux 內(nèi)核中有大量的代碼在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序部分，用于控制特定的硬件設(shè)備。 Linux 驅(qū)動(dòng)一般分為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、塊設(shè)備、字符設(shè)備、雜項(xiàng)設(shè)備，需要編寫的只有字符設(shè)備，雜項(xiàng)設(shè)備是不容易歸類的一種驅(qū)動(dòng)，雜項(xiàng)設(shè)備和字符設(shè)備有很多重合的地方。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，Linux 內(nèi)核中提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。 1.5 Linux 內(nèi)核源碼目錄結(jié)構(gòu) Linux 內(nèi)核源碼采用樹形結(jié)構(gòu)。功能相關(guān)的文件放到不同的子目錄下面，使程序更具有可讀行。 使用 Source Insight 打開源碼，如下圖所示，可以看到源碼是樹形結(jié)構(gòu)。
下面來(lái)介紹每一個(gè)目錄的作用。 arch 目錄是平臺(tái)目錄。處理器原廠提供一套 Linux 內(nèi)核的源碼，那么在這個(gè)目錄下都有一套針對(duì)具體處理器 CPU 的子目錄。每個(gè) CPU 的子目錄，又進(jìn)一步分解為 boot，mm，kernel 等子目錄，分別控制系統(tǒng)引導(dǎo)，內(nèi)存管理，系統(tǒng)調(diào)用，動(dòng)態(tài)調(diào)頻，主頻率設(shè)置部分等。 在 arch 目錄中有關(guān)鍵的平臺(tái)文件。任何一款支持 Linux 的處理器，都有一部分內(nèi)核代碼是針對(duì)特定的處理器來(lái)提供的，具體的實(shí)現(xiàn)就是通過平臺(tái)文件。 迅為 iTOP-4412 的平臺(tái)文件，是 arch→arm→mach-exynos→mach-itop4412.c。 arch→arm→boot 目錄，默認(rèn)編譯生成的內(nèi)核鏡像是在這個(gè)目錄下。 在 arch→arm→kernel 目錄中，有針對(duì)具體 CPU 處理器的代碼，有相關(guān)內(nèi)核特性實(shí)現(xiàn)方式，如信號(hào)處理等。這一部分當(dāng)然是芯片廠商做好了，4412 的這部分就是三星已經(jīng)做好的部分。 在 arch→arm→lib 目錄中，有一些和硬件相關(guān)庫(kù)函數(shù)，后面學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候會(huì)使用到。 在 arch→arm→tools 目錄中，包含了生成鏡像的工具。
如下圖所示。 在 binary 目錄中，有一些無(wú)源碼的驅(qū)動(dòng)以二進(jìn)制放到該文件夾，例如一些測(cè)試版本或者不愿意公布源碼，都可以將二進(jìn)制文件放到這個(gè)目錄中。 在 drivers 目錄中，就是需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的部分，后面的實(shí)驗(yàn)都是圍繞這一步進(jìn)行的。 在 include 目錄中，通用的 Linux 頭文件都在該文件下。
如下圖所示，部分目錄如下。下面的這些目錄，幾乎不需要去動(dòng)其中任何一個(gè)文件。
如下圖所示，有內(nèi)核編程的范例，實(shí)現(xiàn)安全性的代碼，聲卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)等 還有內(nèi)核裁減配置工具目錄 tools，這一部分實(shí)現(xiàn)的功能是將.c 編譯成目標(biāo)文件，連接合并成可運(yùn)行的內(nèi)核鏡像文件等。提供給大家的內(nèi)核源碼一百多 M，最后編譯成的 zImage 只有不到 5M，這都是依靠這個(gè)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的，后面會(huì)有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)來(lái)教大家如何使用編譯工具。
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