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實驗 01 內核開發基礎-基于迅為4412開發板 1.1 本章導讀 本實驗將帶您學習一遍 Linux 的框架和源碼目錄結構。 從任何地方拿到的 Linux 源碼，都有幾百 M 大小，包含上萬個文件。 這么多的文件！那么問題來了，應該從什么地方入手呢？ 哪些內容應該“深入研究”？ 哪些內容應該“驚鴻一瞥”？ 哪些內容應該“束之高閣”？ 本期實驗“內核開發基礎”,帶大家快速梳理一遍，把和學習無關的內容剔除掉。 1.1.1 工具 1.1.1.1 硬件工具 PC 機一臺 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 預備課程 視頻教程“01-燒寫、編譯以及基礎知識視頻”→“實驗 12-使用 Source Insight 加載和閱讀內核源碼” 使用手冊“3.5 Source Insight 的安裝和使用” 1.1.3 視頻資源 本節配套視頻為“視頻 01_內核開發基礎” 1.2 學習目標 本章需要學習以下內容： 理解 Linux 體系結構 了解 Linux 內核結構 了解 Linux 內核源碼目錄結構 了解學習 Linux 的大方向→驅動 1.3 Linux 體系結構 如下圖所示，Linux 體系結構，從大的方面可以分為用戶空間（User Space）和內核空間（Kernel Space）。 
用戶空間中包含了 C 庫，用戶的應用程序。在某些體系結構圖中還包含了 shell，當然shell 腳本也是 Linux 體系中不可缺少的一部分。 內核空間包括硬件平臺、平臺依賴代碼、內核、系統調用接口。 在任何一個現代操作系統中，都是分層的。為什么需要分層呢？ 從程序員的角度分析，將 linux 底層和和應用分開，將 linux 底層和應用分開，做應用的做應用，做底層的做底層，各干各的。經濟學的基本原理是，分工產生效率。 從安全性的角度分析，是為了保護內核。現代 CPU 通常都實現了不同的工作模式。 以 ARM 為例：ARM 實現了 7 種工作模式，不同模式下 CPU 可以執行的指令或者訪問的寄存器不同： (1)用戶模式 usr (2)系統模式 sys(3)管理模式 svc(4)快速中斷 fiq(5)外部中斷irq(6)數據訪問終止 abt(7)未定義指令異常。如果任何一個上層應用都可以調用都可以調用寄存器，那樣肯定是無法穩定執行的。而且因為出現了這個問題，出現了一個新的學科“現代操作系統”，如果大家感興趣可以看一下“現代操作系統”相關文章或者書籍。 以 X86 為例：X86 實現了 4 個不同級別的權限，Ring0—Ring3 ;Ring0 下可以執行特權指令，可以訪問 IO 設備；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 應用程序，都是在 Java 虛擬機上面運行，應用程序更加遠離底層。 另外，用戶空間和內核空間是程序執行的兩種不同狀態，可以通過“系統調用”和“硬件中斷”來完成用戶空間到內核空間的轉移。 1.4 Linux 內核結構 這一節，分析一下內核結構。 如下圖所示，是 Linux 內核結構圖。
SCI 層（System Call Interface），這一層是給應用用戶空間提供一套標準的系統調用函數來訪問 Linux。前面分析 Linux 體系結構的時候，介紹過任何一類現代操作系統都不會允許上層應用直接訪問底層，在 Linux 中，內核提供了一套標準接口，上層應用就可以通過這一套標準接口來訪問底層。 PM（Procees Management），這一部分包括具體創建創建進程（fork、exec）,停止進程（kill、exit）,并控制他們之間的通信（signal 等）。還包括進程調度，控制活動進程如何共享 CPU。這一部分是 Linux 已經做好的，在寫驅動的時候，只需要調用對應的函數即可實現這些功能，例如創建進程、進程通信等等。 MM（Memory Management），內存管理的主要作用是控制多個進程安全的共享內存區域。 VFS（Virtual File Systems），虛擬文件系統，隱藏各種文件系統的具體細節，為文件操作提供統一的接口。在 Linux 中“一切皆文件”，這些文件就是通過 VFS 來實現的。Linux 提供了一個大的通用模型，使這個模型包含了所有文件系統功能的集合。如下圖所示，是一個虛擬文件系統的結構圖。
Device Drivers 設備驅動，這一部分就是需要學習和掌握的。Linux 內核中有大量的代碼在設備驅動程序部分，用于控制特定的硬件設備。 Linux 驅動一般分為網絡設備、塊設備、字符設備、雜項設備，需要編寫的只有字符設備，雜項設備是不容易歸類的一種驅動，雜項設備和字符設備有很多重合的地方。 網絡協議棧，Linux 內核中提供了豐富的網絡協議實現。 1.5 Linux 內核源碼目錄結構 Linux 內核源碼采用樹形結構。功能相關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構。
下面來介紹每一個目錄的作用。 arch 目錄是平臺目錄。處理器原廠提供一套 Linux 內核的源碼，那么在這個目錄下都有一套針對具體處理器 CPU 的子目錄。每個 CPU 的子目錄，又進一步分解為 boot，mm，kernel 等子目錄，分別控制系統引導，內存管理，系統調用，動態調頻，主頻率設置部分等。 在 arch 目錄中有關鍵的平臺文件。任何一款支持 Linux 的處理器，都有一部分內核代碼是針對特定的處理器來提供的，具體的實現就是通過平臺文件。 迅為 iTOP-4412 的平臺文件，是 arch→arm→mach-exynos→mach-itop4412.c。 arch→arm→boot 目錄，默認編譯生成的內核鏡像是在這個目錄下。 在 arch→arm→kernel 目錄中，有針對具體 CPU 處理器的代碼，有相關內核特性實現方式，如信號處理等。這一部分當然是芯片廠商做好了，4412 的這部分就是三星已經做好的部分。 在 arch→arm→lib 目錄中，有一些和硬件相關庫函數，后面學習驅動的時候會使用到。 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，有一些無源碼的驅動以二進制放到該文件夾，例如一些測試版本或者不愿意公布源碼，都可以將二進制文件放到這個目錄中。 在 drivers 目錄中，就是需要重點學習的部分，后面的實驗都是圍繞這一步進行的。 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，幾乎不需要去動其中任何一個文件。
如下圖所示，有內核編程的范例，實現安全性的代碼，聲卡設備驅動等 還有內核裁減配置工具目錄 tools，這一部分實現的功能是將.c 編譯成目標文件，連接合并成可運行的內核鏡像文件等。提供給大家的內核源碼一百多 M，最后編譯成的 zImage 只有不到 5M，這都是依靠這個工具來實現的，后面會有針對性的實驗來教大家如何使用編譯工具。
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