Linux01——概述

目录

一、前言

二、基本知识

 三、操作系统结构

四、Linux内核及可加载内核模块

五、内核模块的插入和删除

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一、前言

        之前的嵌入式系统及应用是比较通用的知识点，操作系统可以解决并发、性能分析和冲突解决、资源管理、隐藏复杂性的接口（复杂留给自己，简单留给用户）。主流的操作系统包括Unix（IOS,HP）,Linux(ubuntu,debian,开源),Windows（微软）。

二、基本知识

操作系统OS是一个系统软件，管理计算机的软硬件资源HAL，并为计算机程序APP提供服务。OS 管理 硬盘，CPU，键盘，文件，内存。

操作系统的五大功能包括文件管理、进程管理（CPU）、操作系统接口（应用程序调用系统接口->OS响应系统接口执行硬件底层）、内存管理、外设管理(打印机键盘)。

进程的管理包括进程控制（创建、终止）、进程调度（OS调度）、进程通信、进程同步（外设资源竞争）。

内存管理包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充。

设备管理包括设备分配（IO请求）、设备处理（读取）、缓冲处理（数据缓冲）。

文件管理主要管理外存上的文件、包括存储空间管理、目录管理、读写管理、权限管理，把文件的存取共享和保护手段提供给用户。

操作系统（OS）特征包括并发性、共享性、虚拟性、异步性

 现代操作系统的组成：

 操作系统发展：手工阶段（电子管时代），单道批处理系统（作业），多道批处理系统（多CPU）,分时操作系统（解决无法用户交互问题，unix,linux，主要是交互性）,实时操作系统（及时性、可靠性）、嵌入式操作系统（全部软硬件资源分配，任务调度，Android,vxWork,RTLinux等）、个人计算机操作系统（MS-DOS,Windows,Linux,MacOS）、网络操作系统（提供网络通信和网络服务功能的OS,NOS）、分布式操作系统（多台计算机可以通讯，共享CPU内存等更多资源，看起来是一个操作系统DOS）

 分布式操作系统：

 分布式操作系统（右）和网络操作系统（左）区别：

 三、操作系统结构

OS设计原则可靠性、可移植性、可维护性、有效性、功能性；结构包括模块化结构OS，分层式结构OS、微内核结构OS。

模块化结构OS（Linux)按照模块进行划分，优点是模块之间可以直接调用函数，没有额外开销，性能比较高；缺点是模块间的依赖关系复杂，函数调用的深度比较深。

 分层结构OS从资源管理的观点出发，采样自顶向下的设计原则，每一层都是建立在可靠基础上，规定每一层只能调用下一层；优点调式容易，子模块调用有序；缺点性能低；

 微内核结构操作系统将操作系统划分为两大部分微内核（客户）和多个服务器；采用机制和策略分离的设计原则，将机制部分和硬件紧密相关的部分放入微内核，包括进程管理、低级内存管理、中断及陷入处理等，另外的绝大部分放在服务器实现。

优点是可扩展性、可移植性、可靠性都比较好。

客户和服务器、服务器之间采用消息通讯机制进行的，该结构可以很好的支持分布式和网络系统

 相比于模块结构，微内核OS性能有所下降，在于客户和服务器之间的通信代价。用户请求OS服务是宏内核需要两次上下文切换（a所示），但微内核需要四次上下文切换

 微内核OS包括QNX（黑莓），HarmonyOS（华为鸿蒙）;宏内核OS包括Linux,ORACLE,FreeBSD,MSDOS。

区别：

 微内核提升进程间通信效率提高性能；宏内核的可维护性差可以通过可加载的Linux内核模块实现、eBPF机制。

CPU状态包括内核态和用户态：

 CPU运行现场：

 Linux内核模块与C应用的对比：

四、Linux内核及可加载内核模块

Linux系统整体结构，分为两部分应用软件和操作系统内核，接口是系统调用。

 上图最左侧“模块”不需要直接操作内核（不和内核紧耦合），就可以集成开发者模块，这种机制叫做可加载的Linux内核模块，即在Linux内核运行的过程中，可以把一个模块加载到Linux内核中。当不需要该模块时可以从内核中卸载。

 Linux的内核编程不再使用如printf这样的库函数，而是Linux内核的源码，如printk(kernal.h),lkp_init函数模块的初始化函数，它是加载模块的入口函数，lkp_exit()是出口函数，也是卸载模块函数。

 如何编译内核模块？必须去写Makefile文件，定义三个变量，当前路径变量、存放内核版本号、存放内核源码所在路径

 如何进行插入操作？使用超级用户权限插入。

模块插入命令：insmod module_example.ko模块ko文件,模块删除命令：rmmod,查看模块信息命令：dmesg

五、内核模块的插入和删除

流程： 编写模块helloworld.c，编写Makefile文件，编译生成ko文件，插入模块

//支持init exit宏
#include <linux/init.h> 
#include <linux/kernel.h>
//支持linux模块机制
#include <linux/module.h>


//入口函数
static int __init lkm_init(void)
{
    //可以指定消息的打印级别
    printk("Hello world\n");
    return 0;
}

//出口函数
static void __exit lkm_exit(void)
{
    printk("Goodbye world\n");
}


//指定入口点，引导内核
module_init(lkm_init);
module_exit(lkm_exit)

//声明许可证
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile文件

使用目标文件helloworld.o建立一个模块，生成模块的名字是helloworld.ko
obj-m:=helloworld.o
当前路径
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
内核版本
LINUX_KERNEL := $(shell uname -r)
内核路径
LINUX_KERNEL_PATH := /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)

all:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH)编译放在哪个目录 modules 表明是内核模块

clean:
    make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译：直接make,生成.ko文件

内核的加载调用不再使用终端，在proc下（虚拟文件系统），可以访问有关内核的状态，进程的信息。在meminfo中保存了物理内存和交换空间的信息。Kmsg包含了所有的日志信息，查看日志使用dmesg命令。

插入模块：

sudo insmod helloworld.ko

使用lsmod查看当前系统的模块

使用dmesg命令打印系统日志信息

卸载模块：

sudo rmmod helloworld