1、Linux 内核开发框架学习一、 常见 linux 内核文件的区别1、 vmlinux 编译出来的最原始的内核文件，未压缩。2、 zImagevmlinux 经过 gzip 压缩后的文件。3、 bzImage bz 表示“big zImage”，不是用 bzip2 压缩的。两者的不同之处在于，zImage 解压缩内核到低端内存(第一个 640K)， bzImage 解压缩内核到高端内存(1M 以上)。如果内核比较小，那么采用 zImage 或 bzImage 都行，如果比较大应该用 bzImage。4、 uImageU-boot 专用的映像文件，它是在 zImage 之前加上一个长度为 0x4
2、0 的 tag。5、 vmlinuzbzImage/zImage 文件的拷贝或指向 bzImage/zImage 的链接。6、 initrd“initial ramdisk”的简写。一般被用来临时的引导硬件到实际内核 vmlinuz 能够接管并继续引导的状态。二、 linux 内核源码目录结构1、 arch 目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它下面的每一个子目录都代表一种 Linux 支持的体系结构，例如 i386 就是 Intel CPU 及与之相兼容体系结构的子目录。 PC 机一般都基于此目录。 2、 include 目录包括编译核心所需要的大部分头文件，例如与平台无关的头文件在 i
3、nclude/linux 子目录下。 3、 init 目录包含核心的初始化代码（不是系统的引导代码） ，有 main.c 和 Version.c 两个文件。这是研究核心如何工作的好起点。 4、 mm 目录包含了所有的内存管理代码。与具体硬件体系结构相关的内存管理代码位于arch/*/mm 目录下。 5、 drivers 目录是系统中所有的设备驱动程序。它又进一步划分成几类设备驱动，每一种有对应的子目录，如声卡的驱动对应于 drivers/sound。 6、 ipc 目录包含了核心进程间的通信代码。 7、 modules 目录存放了已建好的、可动态加载的模块。 8、 fs 目录存放 Linux
4、支持的文件系统代码。不同的文件系统有不同的子目录对应，如 ext3 文件系统对应的就是 ext3 子目录。 9、 Kernel 内核管理的核心代码放在这里。同时与处理器结构相关代码都放在 arch/*/kernel 目录下。 10、 net 目录里面是核心的网络部分代码，其每个子目录对应于网络的一个方面。 11、 lib 目录包含了核心的库代码，不过与处理器结构相关的库代码被放在 arch/*/lib/目录下。 12、 scripts 目录包含用于配置核心的脚本文件。 13、 documentation 目录该目录是对其它每个目录作用的具体说明。三、 Uboot 加载内核的流程uboot 通过
5、执行 bootm 0x81000000 指令来启动 linux。int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv)bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv);ret = bootm_load_os(images.os, boot_fn = boot_osimages.os.os; / 选择启动函数，即 do_bootm_linuxboot_fn(0, argc, argv, / 执行 do_bootm_linuxint do_bootm_linux(int flag, int argc,
6、char *argv, bootm_headers_t *images)int machid = bd-bi_arch_number;void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);/ theKernel 指向内核入口地址theKernel = (void (*)(int, int, uint)images-ep;/ 在启动内核之前做一些清理工作cleanup_before_linux ();/ 启动内核theKernel (0, machid, bd-bi_boot_params);在启动内核之前，uboot 必须为 uImage 准备以
7、下准备：1 CPU 寄存器的设置： R00；R1Machine ID(即 Machine Type Number，定义在 linux/arch/arm/tools/mach-types)；R2内核启动参数在 RAM 中起始基地址；2 CPU 模式： 必须禁止中断（IRQs 和 FIQs）；CPU 必须 SVC 模式；3 Cache 和 MMU 的设置： MMU 必须关闭；指令 Cache 可以打开也可以关闭；数据 Cache 必须关闭；uImage 中 64 字节的头信息结构体如下：#define IH_NMLEN 32 /* Image Name Length */typedef struc
8、t image_header uint32_t ih_magic;/* Image Header Magic Number */uint32_t ih_hcrc; /* Image Header CRC Checksum */uint32_t ih_time; /* Image Creation Timestamp */uint32_t ih_size; /* Image Data Size */uint32_t ih_load; /* Data Load Address */uint32_t ih_ep; /* Entry Point Address */uint32_t ih_dcrc;
9、/* Image Data CRC Checksum*/uint8_t ih_os; /* Operating System */uint8_t ih_arch; /* CPU architecture */uint8_t ih_type; /* Image Type */uint8_t ih_comp; /* Compression Type */uint8_t ih_nameIH_NMLEN; /* Image Name */ image_header_t;四、 linux 内核的配置机制及其编译过程1、 配置系统的基本结构Linux 内核的配置系统由三个部分组成，分别是：1) Makef
10、ile：分布在 Linux 内核源代码根目录及各层目录中，定义 Linux 内核的编译规则；2) 配置文件（config.in(2.4 内核，2.6 内核) ）：给用户提供配置选择的功能；3) 配置工具：包括配置命令解释器（对配置脚本中使用的配置命令进行解释）和配置用户界面（提供基于字符界面、基于 Ncurses 图形界面以及基于 Xwindows 图形界面的用户配置界面，各自对应于 Make config、Make menuconfig 和 make xconfig） 。2、 Linux 内核配置相关的文件1) Linux 内核根目录下的 scripts 文件夹：scripts 文件夹存放的
11、是跟 make menuconfig 配置界面的图形绘制相关的文件，我们作为使用者无需关心这个文件夹的内容。2) arch/$ARCH/Kconfig 文件、各层目录下的 Kconfig 文件：当我们执行 make menuconfig 命令出现上述蓝色配置界面以前，系统帮我们做了以下工作：首先系统会读取 arch/$ARCH/目录下的 Kconfig 文件生成整个配置界面选项（Kconfig 是整个 linux 配置机制的核心） ，默认生成的界面是所有参数都是没有值的。ARCH 环境变量的值由 linux 内核根目录下的 makefile 文件决定的，在 makefile 下有此环境变量的定
12、义：ARCH ?= arm 或者通过 make ARCH=arm menuconfig 命令来指定。3) Linux 内核根目录下的 makefile 文件、各层目录下的 makefile 文件：4) Linux 内核根目录下的的.config 文件、arm/$ARCH/下的 config 文件：默认配置选项存放在 arch/$ARCH/configs 下，对于 arm 来说就是arch/arm/configs 文件夹，此文件夹中有许多选项，系统会读取哪个呢？内核默认会读取 linux 内核根目录下.config 文件作为内核的默认选项，我们一般会根据开发板的类型从中选取一个与我们开发板最接近
13、的系列到 Linux 内核根目录下。.config文件与我们的板子并不是完全匹配，这时我们可以选择直接修改.config 文件然后执行 make menuconfig 命令读取新的选项。.config 文件与我们的板子并不是完全匹配，这时我们可以选择直接修改.config 文件然后执行 make menuconfig 命令读取新的选项。5) Linux 内核根目录下的 include/generated/autoconf.h 文件：当你保存 make menuconfig 选项时，系统会除了会自动更新.config 外，还会将所有的选项以宏的形式保存在 Linux 内核根目录下的 includ
14、e/generated/autoconf.h文件下。内核中的源代码就都会包含以上.h 文件，跟宏的定义情况进行条件编译。当我们需要对一个文件整体选择如是否编译时，还需要修改对应的 makefile 文件。最后我们会发现，整个 linux 内核配置过程中，留给用户的接口其实只有各层Kconfig、 makefile 文件以及对应的源文件。比如我们如果想要给内核增加一个功能，并且通过 make menuconfig 控制其生成过程：首先需要做的工作是：修改对应目录下的 Kconfig 文件，按照 Kconfig 语法增加对应的选项；其次执行 make menuconfig 选择编译进内核或者不编译
15、进内核，或者编译为模块，.config 文件和 autoconf.h 文件会自动生成；再次修改对应目录下的 makefile 文件完成编译选项的添加；最后执行 make zImage 命令进行编译。3、 Kconfig 文件分析分布在各目录下的 Kconfig 构成了一个分布式的内核配置数据库，每个 Kconfig 分别描述了所属目录源文件相关的内核配置菜单。在内核配置 make menuconfig(或 xconfig 等) 时，从 Kconfig 中读出配置菜单，用户配置完后保存到.config( 在顶层目录下生成)中。在内核编译时，主 Makefile 调用这个.config，就知道了用
16、户对内核的配置情况。上面的内容说明：Kconfig 就是对应着内核的配置菜单。假如要想添加新的驱动到内核的源码中，可以通过修改 Kconfig 来增加对我们驱动的配置菜单，这样就有途径选择我们的驱动，假如想使这个驱动被编译，还要修改该驱动所在目录下的 Makefile。Kconfig 的语法结构。Kconfig每个菜单项都有一个关键字标识，最常见的就是 config。语法：config symboloptionssymbol 就是新的菜单项，options 是在这个新的菜单项下的属性和选项其中 options 部分有：1) 类型定义：每个 config 菜单项都要有类型定义，bool：布尔类型
17、， tristate 三态：内建、模块、移除， string：字符串， hex：十六进制， integer：整型例如 config HELLO_MODULEbool “hello test module“bool 类型的只能选中或不选中，tristate 类型的菜单项多了编译成内核模块的选项，假如选择编译成内核模块，则会在.config 中生成一个 CONFIG_HELLO_MODULE=m 的配置，假如选择内建，就是直接编译成内核影响，就会在.config 中生成一个 CONFIG_HELLO_MODULE=y的配置.2) 依赖型定义 depends on 或 requires指此菜单的出现
18、是否依赖于另一个定义config HELLO_MODULEbool “hello test module“depends on ARCH_PXA这个例子表明 HELLO_MODULE 这个菜单项只对 XScale 处理器有效，即只有在选择了ARCH_PXA， 该菜单才可见(可配置)。3) 帮助性定义只是增加帮助用关键字 help 或-help-4、 内核的 Makefile 文件分析内核的 Makefile 分为 5 个组成部分： 1) Makefile 最顶层的 Makefile 2) .config 内核的当前配置文档，编译时成为顶层 Makefile 的一部分3) arch/$(ARCH
19、)/Makefile 和体系结构相关的 Makefile 4) s/ Makefile.* 一些 Makefile 的通用规则 5) kbuild Makefile 各级目录下的大概约 500 个文档，编译时根据上层 Makefile传下来的宏定义和其他编译规则，将源代码编译成模块或编入内核。顶层的 Makefile 文档读取 .config 文档的内容，并总体上负责 build 内核和模块。Arch Makefile 则提供补充体系结构相关的信息。 s 目录下的 Makefile 文档包含了任何用来根据kbuild Makefile 构建内核所需的定义和规则。（其中.config 的内容是在
20、 make menuconfig 的时候，通过 Kconfig 文档配置的结果）顶层 Makefile 文件：vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)vmlinux-all := $(vmlinux-init) $(vmlinux-main)vmlinux-lds := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.ldsexport KBUILD_VMLINUX_OBJS := $(vmlinux-all)/ 内核需要添加的模块ini
21、t-y := init/drivers-y := drivers/ pifm/ switch/ sound/ firmware/net-y := net/libs-y := lib/core-y := usr/head-y := arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o5、 Vmlinux.lds 文件分析位于 arch/arm/kernel/vmlinux.ldsOUTPUT_ARCH(arm) /* 输出格式 */ENTRY(stext) /* 定义_start 作为入口点 */jiffies = jiffies
22、_64;SECTIONS. = 0x80000000 + 0x00008000; /* 定义当前段的偏移量 */.init : /* Init code and data */_stext = .;/ 初始化代码段_sinittext = .;*(.head.text)*(.init.text) *(.cpuinit.text) *(.meminit.text)_einittext = .;_proc_info_begin = .; *(.proc.info.init) _proc_info_end = .;_arch_info_begin = .;*(.arch.info.init)_arc
23、h_info_end = .;_tagtable_begin = .;*(.taglist.init)_tagtable_end = .;_pv_table_begin = .;*(.pv_table)_pv_table_end = .;. = ALIGN(16); _setup_start = .; *(.init.setup) _setup_end = .;_initcall_start = .; *(.initcallearly.init) _early_initcall_end = .; *(.initcall0.init) *(.initcall0s.init) *(.initcal
24、l1.init) *(.initcall1s.init) *(.initcall2.init) *(.initcall2s.init) *(.initcall3.init) *(.initcall3s.init) *(.initcall4.init) *(.initcall4s.init) *(.initcall5.init) *(.initcall5s.init) *(.initcallrootfs.init) *(.initcall6.init) *(.initcall6s.init) *(.initcall7.init) *(.initcall7s.init) _initcall_end
25、 = .;_con_initcall_start = .; *(.con_initcall.init) _con_initcall_end = .;_security_initcall_start = .; *(.security_initcall.init) _security_initcall_end = .;. = ALIGN(4); _initramfs_start = .; *(.init.ramfs) . = ALIGN(8); *(.init.ramfs.info)_init_begin = _stext;*(.init.data) *(.cpuinit.data) *(.mem
26、init.data) . = ALIGN(8); _ctors_start = .; *(.ctors) _ctors_end = .; *(.init.rodata) *(.cpuinit.rodata) *(.meminit.rodata). = ALIGN(1 18) _attribute_(_section_(“.arch.info.init“)表明该结构体在并以后存放的位置。在链接文件链接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中SECTIONS#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL. = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS
27、_ADDR);#else. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;#endif.text.head : _stext = .;_sinittext = .;*(.text.head).init : /* Init code and data */INIT_TEXT_einittext = .;_proc_info_begin = .;*(.proc.info.init)_proc_info_end = .;_arch_info_begin = .;*(.arch.info.init)_arch_info_end = .;在_arch_info_begin 和 _arch_in
28、fo_end 之间存放了 linux 内核所支持的所有平台对应的 machine_desc 结构体。.long _proc_info_begin.long _proc_info_end3: .long .long _arch_info_begin.long _arch_info_end_lookup_machine_type:adr r3, 3b /r3 存储的是 标号 3 的物理地址/R4=标号 3 处的虚拟地址，r5=_arch_info_begin，r6=_arch_info_end 。ldmia r3, r4, r5, r6sub r3, r3, r4 get offset betwe
29、en virt union struct tag_core core; struct tag_mem32 mem; struct tag_videotext videotext; struct tag_ramdisk ramdisk; struct tag_initrd initrd; struct tag_serialnr serialnr; struct tag_revision revision; struct tag_videolfb videolfb; struct tag_cmdline cmdline; struct tag_acorn acorn; struct tag_mem
30、clk memclk; u; ;参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header 结构体,一个是 u 联合体。tag_header 结构体的定义如下： struct tag_header u32 size; u32 tag; ; 其中 size：表示整个 tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header 的大小加上 u 联合体的大小，例如，参数 结构体 ATAG_CORE 的 size=(sizeof(tag-tag_header)+sizeof(tag-u.core)2，一般通过函数tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构
31、体的 size 。其中 tag：表示整个 tag 结构体的标记，如： ATAG_CORE等。 _vet_atags:tst r2, #0x3 /r2 指向该参数链 表的起始位置，此处判断它是否字对齐bne 1fldr r5, r2, #0 /获取第一个 tag 结构的 size/#define ATAG_CORE_SIZE (2*4 + 3*4) 2) 判断该 tag 的长度是否合法subs r5, r5, #ATAG_CORE_SIZEbne 1fldr r5, r2, #4 /获取第一个 tag 结构体的标记，ldr r6, =ATAG_CORE cmp r5, r6 /判断第一个 tag
32、 结构体的标记是不是 ATAG_COREbne 1f mov pc, lr /正常退出1: mov r2, #0mov pc, lr /参数连表不正确ENDPROC(_vet_atags)/*/_create_page_tables/*/.macro pgtbl, rdldr rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000).endm_create_page_tables:/r4 = 0x30004000 这是转换表的物理基地址，最终将写入 CP15 的寄存器 2，C2 。/这个值必须是 16K 对齐的。pgtbl r4 /为内核代码存储区域创建页表，首先将内核起始地址-0x4
33、000 到内核起始地址之间的16K /存储器清 0，将创建的页表存于此处。mov r0, r4mov r3, #0add r6, r0, #0x40001: str r3, r0, #4str r3, r0, #4str r3, r0, #4str r3, r0, #4teq r0, r6bne 1b/从 proc_info_list 结构中获取字段_cpu_mm_mmu_flags ，该字段包含了存储空间访问权限 /等。此处指令执行之后 r7=0x00000c1eldr r7, r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS mm_mmuflags/*此处建立一个物理地址到物理地址的平
34、板映射，这个映射将在函数 paging_init(). 被清除。r6 = 0x300 r3 = 0x30000c1e 0x30004c00=0x30000c1e*/mov r6, pc, lsr #20 start of kernel sectionorr r3, r7, r6, lsl #20 flags + kernel basestr r3, r4, r6, lsl #2 /字对齐/*MMU 是通过 C2 中基地址（高 18 位）与虚拟地址的高 12 位组合成物理地址，在转换表中查找地址条目。R4 中存放的就是这个基地址 0x30004000。下面通过两次获取虚拟地址KERNEL_STA
35、RT 的高 12 位。KERNEL_START 是内核存放的起始地址，为 0X30008000。*/add r0, r4, #(KERNEL_START /* location in binary */. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;#else. = ALIGN(THREAD_SIZE);_data_loc = .;#endif.data : AT(_data_loc) /此处数据存储在上面_data_loc 处。_data = .; /* address in memory */*(.data.init_task).bss : _bss_start = .; /*
36、 BSS */*(.bss)*(COMMON)_end = .;init_thread_union 是 init 进程的基地址. 在 arch/arm/kernel/init_task.c 中:00033: union thread_union init_thread_union00034: _attribute_(_section_(“.init.task“) =00035: INIT_THREAD_INFO(init_task) ; 对照 vmlnux.lds.S 中,我们可以知道 init task 是存放在 .data 段的开始 8k, 并且是THREAD_SIZE(8k)对齐的*/_
37、mmap_switched:adr r3, _switch_data + 4ldmia r3!, r4, r5, r6, r7 cmp r4, r5 Copy data segment if needed1: cmpne r5, r6 /将 _data_loc 处数据搬移到_data 处ldrne fp, r4, #4strne fp, r5, #4bne 1bmov fp, #0 /清除 BSS 段内容1: cmp r6, r7 strcc fp, r6,#4bcc 1bldmia r3, r4, r5, r6, r7, spstr r9, r4 Save processor IDstr r
38、1, r5 Save machine typestr r2, r6 Save atags pointerbic r4, r0, #CR_A Clear A bitstmia r7, r0, r4 Save control register valuesb start_kernel /程序跳转到函数 start_kernel 进入 C 语言部分。ENDPROC(_mmap_switched)/*/8、 Linux 内核的启动过程在 bootloader 将 Linux 内核映像拷贝到 RAM 以后，可以通过下例代码启动 Linux内核：call_linux(0, machine_type, kernel_params_base)。其中，machine_tpye 是 bootloader 检测出来的处理器类型， kernel_params_base是启动参数在 RAM 的地址。通过这种方式将 Linux 启动需要的参数从 bootloader 传递到内核。Linux 内核有两种映像：一种是非压缩内核，叫 Image，另一种是它的压缩版本，
