第3章--Linux内核及内核编程

一、源代码目录结构

/arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录。
/block：块设备驱动程序I/O调度。
/crypto：常见加密和散列算法，以及一些压缩和CRC校验算法。
/documentation：内核各部分的通用解释和注释。
/drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录。
/fs：所支持的各种文件系统。
/include：内核API级别头文件。
/init：内核初始化代码。
/ipc：进程间通信的代码。
/kernel：内核最核心的部分，包括进程调度、定时器等。
/lib：库文件代码。
/mm：内存管理代码。
/net：网络相关代码，实现各种常见的网络协议。
/scripts：用于配置内核的脚本文件。
/sound：音频设备的驱动核心代码和常见设备驱动。
/usr：实现用于打包和压缩。

二、内核的组成部分

1. 进程调度

Linux的进程在几个状态间进行切换。（就绪、暂停、睡眠、执行等）
在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时，内核一般会调度其他进程执行，
并使本进程进入睡眠状态，直到他请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。
睡眠分为可中断的睡眠和不可中断的睡眠，两者的区别在于可中断的睡眠在收到信号的时候会醒。

2. 内存管理

一般而言，32位处理器的Linux的每个进程享有4GB的内存空间，0到3GB属于用户空间，3到4GB属于内核空间，内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存有不同的处理方式。
当然，内核空间和用户空间的具体界限是可以调整的，在内核配置选项Kernel Fearures -> Memory split下，可以设置界限为2GB或者3GB。

3. 虚拟文件系统

Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。
而且，他独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。
他为上层的应用程序提供了统一的vfs_read()、vfs_write()等接口，并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的file_operations结构体的成员函数。

4. 网络接口

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。
在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

5. 进程间通信

进程间通信支持进程之间的通信，Linux支持进程间的多种通信机制，包括信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等，这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。

三、内核的编译

在编译内核时，需要先配置内核，使用以下命令：

make menuconfig

内核配置包含的条目相当多，arch/arm/configs/xxx_defconfig文件包含了许多电路板的默认配置。
只需要运行make ARCH=arm xxx_defconfig就可以为xxx开发版配置内核。
编译内核和模块的方法是：

make ARCH=arm zImage
make ARCH=arm modules

Linux内核的配置系统由以下3个部分组成。

• Makefile：分布在Linux内核源代码中，定义Linux内核的编译规则。
• Kconfig：配置文件，给用户提供配置选择的功能。
• 配置工具：包括配置命令解释器和配置用户界面。

使用make config、make menuconfig等命令后，会生成一个.config配置文件，记录哪些部分被编译进内核、哪些部分被编译为内核模块。
运行make menuconfig时，配置工具首先分析与体系结构相应的/arch/xxx/Kconfig文件（xxx即为传入的ARCH参数），/arch/xxx/Kconfig文件中除本身包括一些与体系结构相关的配置项和配置菜单外，还通过source语句引入了一系列Kconfig文件，而这些Kconfig有可能再次通过source引入下一层的Kconfig，配置工具依据Kconfig包括的菜单和条目即可描绘出一个分层结构。

四、内核的加载

引导Linux系统的过程包括很多阶段，一般的SOC内嵌入了bootrom，上电时bootrom运行。对于CPU0而言，bootrom会去引导BootLoader，而其他CPU则判断自己是不是CPU0，进入WFI的状态等待CPU0来唤醒它。

CPU0引导BootLoader，BootLoader引导Linux内核，在内核启动阶段，CPU0会发中断唤醒CPU1，之后CPU0和CPU1都投入运行。CPU0导致用户空间的init程序被调用，init程序再派生其他进程。
CPU0和CPU1共担这些负载，进行负载均衡。
bootrom是各个SOC产家根据自身情况编写的，目前的SOC一般都具有从SD、eMMC、NAND、USB等介质启动的能力，这证明这些bootrom内部的代码具备读SD、NAND等能力。
早前，BootLoader需要把启动信息以ATAG的形式封装，并且把ATAG的地址填充在r2寄存器中，机型号填充在r1寄存器中。
在ARM Linux支持设备树（Device Tree）后，BootLoader则需要把dtb的地址放入r2寄存器中。
当然，ARM Linux也支持直接把dtb和zImage绑定在一起的模式（内核ARM_APPENDEN_DTB选项"Use appended device tree blob to zImage"），这样r2寄存器就不再需要填充dtb地址了。
类似zImage的内核镜像实际上是由没有压缩的解压算法和被压缩的内核组成，所以在BootLoader跳入zImage以后，他自身的解压缩逻辑就把内核的镜像解压缩出来了。