Linux内核的相关基础概念 运行环境, Linux, 资源

苹果也疯狂

一.linux设备驱动的作用
内核：用于管理软硬件资源，并提供运行环境。如分配4G虚拟空间等。
linux设备驱动：是连接硬件和内核之间的桥梁。

linux系统按个人理解可按下划分：

应用层：包括POSIX接口，LIBC，图形库等，用于给用户提供访问内核的接口。属于用户态，ARM运行在用户模式(usr)或者系统模式(sys)下。
内核层：应用程序调用相关接口后，会通过系统调用，执行SWI指令切换ARM的工作模式到超级用户(svc)模式下，根据用户函数的要求执行相应的操作。
硬件层：硬件设备，当用户需要操作硬件时，内核会根据驱动接口操作硬件设备

图结构如下：

举一个相对比较邪恶的类比：
在深圳的酒店经常会在门缝看到一些卡片，上面说可以通过打电话送货上门提供某中服务。


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

二.内核代码树介绍

linux-2.6.29
｜－arch        : 包含和硬件体系结构相关的代码
｜－block       : 硬盘调度算法，不是驱动
｜－firmware    : 固件，如BOIS
｜－Documentation:标准官方文档
｜－dirver      : linux设备驱动
｜－fs          : 内核所支持的文件体系
｜－include     ：头文件。linux/module.hlinux/init.h 常用库。
｜－init        ：库文件代码，C库函数在内核中的实现。
                                 init/main.c->start_kernel->内核执行第一条代码
｜－ipc         : 进程件通信
｜－mm          ：内存管理
｜－kernel      : 内核核心部分，包括进程调度等
｜－net         ：网络协议
｜－sound       : 所有音频相关
｜

其中，跟设备驱动有关并且经常查阅的文件夹有：
init
include: linux, asm-arm
drivers:
arch:

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

三.内核补丁：
补丁一般都是基于某个版本内核生成的，用于升级旧内核。
打补丁需要注意：
1.对应版本的补丁只能用于对应版本的内核。
2.如果在已打补丁的内核再打补丁，需要先卸载原来补丁。
打补丁的方法：
1.制作补丁：
diff-Nur linux-2.6.30/ linux-2.6.30.1/ > linux-2.6.30.1.patch
//N为新加的文件全部修改
//linux-2.6.30旧版本
//linux-2.6.30.1新版本
//目标补丁
2.打补丁：
cdlinux-2.6.30                                //！！注意在原文件夹的目录中打补丁
patch-p1 < ../linux-2.6.30.1.patch                //-p1是忽略一级目录
3.恢复：
cdlinux-2.6.30             //！！注意在原文件夹的目录中打补丁
patch-R < ../linux-2.6.30.1.patch                //撤销补丁

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

四.内核中的Makefile：
对于内核，Makefile分为5类：
Documentation/kbuild/makefiles.txt描述如下：
50 The Makefiles have five parts:
51
52     Makefile                          总Makefile，控制内核的编译
53     .config                             内核配置文件，配置内核时生成，如make menuconfig后
54     arch/$(ARCH)/Makefile 对应体系结构的Makefile
55     scripts/Makefile.*           Makefile共用的规则
56     kbuild Makefiles             各子目录下的Makefile，被上层的Makefile调用。

简单来说，编译内核会执行以下两步骤，它们分别干了以下的事情。
1一般的，我们会拷贝一个对应体系结构的配置文件到主目录下并改名为.config，这样就在makemenuconfig生成的图形配置中已经有了一些默认的配置，减少用户的劳动量。不过这一步不做也没关系的。
2.makemenuconfig
2.1、由总Makefile决定编译的体系结构(ARCH).编译工具(CROSS_COMPILE)，并知道需要进去哪些内核根下的哪些目录进行编译。
2.2、由arch/$(ARCH)/Makefile,决定arch/$(ARCH)下还有的哪些目录和文件需要编译。
2.3、知道了需要编译的目录后，递归的进入哪些目录下，读取每一个Kconfig的信息，生成了图形配置的界面。
2.4、通过我们在图形配置界面中选项为

、[M]或者[]。
2.5、保存并退出配置，会根据配置生成一份新的配置文件.config，并在同时生成include/config/auto.conf（这是.config的去注释版）。文件里面保存着CONFIG_XXXX等变量应该取y还是取m。
3.make
3.1、根据Makefile包含的目录和配置文件的要求，进去个子目录进行编译，最后会在各子目录下生成一个.o或者.a文件，然后总Makefile指定的连接脚本arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds生成vmlinux，并通过压缩编程bzImage，或者按要求在对应的子目录下编译成模块。。               

但是，具体是怎么生成配置文件的呢？
注：我使用的内核是2.6.29。
1.在总Makefile中，根据以下语句进入需要编译的目录
470 # Objects we will link intovmlinux / subdirs we need to visit
471 init-y          := init/
472 drivers-y       := drivers/sound/ firmware/
473 net-y           := net/
474 libs-y          := lib/
475 core-y          := usr/
476 endif # KBUILD_EXTMOD
639 core-y          += kernel/ mm/fs/ ipc/ security/ crypto/ block/
上面说明了，根目录下的init、driver、sound、firmware、net、lib、usr等目录，在编译时都会进去读取目录下的Makefile并进行编译。

2.在总Makefile中包含的目录还是不够的，内核还需要根据对应的CPU体系架构，
决定还需要将哪些子目录将要编译进内核。在总Makefile中有一个语句：
529 include$(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile             //在这里，我定义SRCARCH= arm
可以看出，在总Makefile中进去读取相应体系结构的Makefile->arch/$(SRCARCH)/Makefile。
       
arch/$(SRCARCH)/Makefile中指定arch/$(SRCARCH)路径下的哪些子目录需要被编译。
在arch/arm/Makefile 下：
95 head-y          :=arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o
187 # If we have a machine-specificdirectory, then include it in the build.
188 core-y                         += arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/
189 core-y                         += $(machdirs) $(platdirs)
190 core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)       += arch/arm/nwfpe/
191 core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)     += $(FASTFPE_OBJ)
192 core-$(CONFIG_VFP)             += arch/arm/vfp/
193
194 drivers-$(CONFIG_OPROFILE)     += arch/arm/oprofile/
195
196 libs-y                         := arch/arm/lib/ $(libs-y)
上面看到，指定需要进入arch/arm/kernel/、arch/arm/mm/、arch/arm/common/等目录编译，至于core-y、core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)这些是什么东西呢？

其中，y表示编译成模块，m表示编译进内核(上面没有，因为默认情况下ARM全部编译进内核)，但$(CONFIG_OPROFILE)又是什么呢？这些是根据用户在makemenuconfig中设置后，生成的值赋给了CONFIG_OPROFILE。

3.那makemenuconfig后的配置信息是怎么来的？
这是由各子目录下的Kconfig提供选项功用户选择并配置。
如arch/arm/Kconfig。所有的配置都是根据arch/$(ARCH)/Kconfig文件通过Kconfig的语法source读取各个包含的子目录Kconfig来生成一个配置界面。每个Makefile目录下都有一个对应的Kconfig文件，用于生成配置界面来给用户决定内核如何配置，配置后会确定一个。CONFIG_XXX的的值（如上面的CONFIG_OPROFILE），来决定编译进内核，还是编译成模块或者不编译。
如在arch/arm/Kconfig下：
595 source"arch/arm/mach-clps711x/Kconfig"
596
597 source"arch/arm/mach-ep93xx/Kconfig"
598
599 source"arch/arm/mach-footbridge/Kconfig"
600
601 source"arch/arm/mach-integrator/Kconfig"
602
603 source"arch/arm/mach-iop32x/Kconfig"
604
605 source"arch/arm/mach-iop33x/Kconfig"
这些就是用来指定，需要读取以下目录下的Kconfig文件来生成一个使用makemenuconfig时的配置界面。
        至于子目录下的Kconfig是怎么样的，待会介绍。
总结Kconfig的作用：
3.1.在makemenuconfig下可以配置选项;
3.2.在.config中确定CONFIG_XXX的的值。

4.只是读取以上的两个Makefile还是不够了，内核还会把包含的子目录一层一层的读取它里面的Makefile和Kconfig。

上面啰啰嗦嗦地讲了这么久，无非就是想说，内核的编译并不是一个Makefile搞定的，需要通过根目录下的总Makefile来包含一下子Makefile（不管是根目录下的子目录还是/arch/arm中的子目录）。而Kconfig，为用户提供一个交互界面来选择如何配置并生成配置选项。

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

五、子目录下的Makefile和Kconfig

上面我一直介绍的都是两个比较大的Makefile——总Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile。接下来看一下实例。

一、在makefile中，y表示编译进内核，m表示编译成模块，不写代表不编译。所以，配置最简单的方法就是，直接修改子目录的Makefile。
先看看arch/arm/Makefile：
/*arch/arm/mach-s3c2440/Makefile*/
12 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   +=s3c2440.o dsc.o
13obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += irq.o
14obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += clock.o         //配置2440的时钟进入模块
15obj-$(CONFIG_S3C2440_DMA)   += dma.o
如果我要取消s3c2440的时钟(当然这是必须要开的，只是举例)。可以直接修改arch/arm/mach-s3c2440/Makefile将obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += clock.o改为
obj-   += clock.o
如果你想编译成模块也可以修改成：
obj-m        += clock.o
在这里CONFIG_CPU_S3C2440的值默认是y，所以内核是要将时钟编译进内核的。也许有人会问，那我直接修改CONFIG_CPU_S3C2440的值为m不就可以将时钟编译成模块了，何必修改Makefile这么麻烦呢？的确是这样，只要我们通过在”makemenuconfig”的界面中配置后就能够改变CONFIG_CPU_S3C2440的值。接下来看看如何实现。

二、在一般的编译内核时，我们都是通过”makemenuconfig”进入图形界面面配置的，接下来我实现一下如何将一个选项加入到图形配置界面中。
看看具体实现的步骤：
以下的执行环境是在PC机上，我使用的内核是linux-2.6.29：
2.1.进入内核目录
cd linux-2.6.29
2.2. 在driver目录下模拟一个名为test1驱动的文件夹
mkdir driver/test1       
2.3.在目录下随便些一个C文件，只要不报错。
vim test1.c              
我的test1.c如下：
  1 void foo()
  2 {
  3        ;
  4}                           
2.4vim Makefile                                        //在目录下编写一个简单的Makefile
Makefile文件编写如下：
obj-$(CONFIG_TEST1) += test1.o
CONFIG_TEST1是决定test1是否编译进内核或者编译成模块的。这就是通过同一目录下的Kconfig来在配置界面中生成选项，由用户在makemenuconfig中选择。
2.5所以还要同一目录下写一个Kconfig：
vim Kconfig                                       
Kconfig修改如下：
menu "test1 driver here"                      //这是在图形配置显示的
config TEST1
bool "xiaobai test1 driver"                          //这同样也是在图形配置显示的
help
This is test1                                          //这个也是在图形配置显示的。
说白了，就是在图形配置的driver下多了一个配置选项，用户配置后将CONFIG_TEST1的值存放在.config中，Makefile通过读取.config的去注释版include/config/auto.conf读取到CONFIG_TEST的值，再进行编译。

但是，以上几步还不能达到目的，因为虽然在总Makefile中已经包含了目录driver,但是driver目录的Makefile中并没有包含test目录。因此需要在driver/Makefile中添加：
103 obj-$(CONFIG_PPC_PS3)       +=ps3/
104 obj-$(CONFIG_OF)        += of/
105 obj-$(CONFIG_SSB)       += ssb/
106 obj-$(CONFIG_VIRTIO)        +=virtio/
107 obj-$(CONFIG_STAGING)       +=staging/
108 obj-y               +=platform/
109obj-$(CONFIG_TEST1)     += test1/                        //这是我添加的
虽然Makefile中已经包含了，但这样还是不行。因为当需要配置ARM时，ARM结构下的Kconfig并没有包含test的Kconfig。这样的话就不会出现在图形配置界面中，因此在arch/arm/Kconfig中添加：
1230 menu"Device Drivers"        //要在DeviceDrivers这个选项里面添加
1231
1232 source "drivers/base/Kconfig"
1233
1234 source"drivers/connector/Kconfig"
。。。。。。。。
1330 source"drivers/test/Kconfig"                //这是我添加的
1331
1332 endmenu

大功告成！
这样，makemenuconfig界面写的DriverDevices下就多了一个"test1friver here"的目录，里面有一个配置选项"xiaobaitest1 driver"。



Kconfig文件的语法在documentation/kbuild/kconfig-language.txt文件中有详细的讲解，上面我只是简单实现了一下，都是皮毛。

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

六.内核和模块的编译

编译内核很简单，只需要配置完毕后执行make命令，将指定的文件编译进内核
bzImage或者编译成模块。
make =make bzImage + make modules
因此如果值编译内核，即只编译配置文件中-y选项，可以直接用命令
makebzImage
如果值编译模块，即只编译配置文件中的-m选项，可以之直接使用命令
makemodules
模块可以编译当然也可以清除，使用命令
makemodules clean
如果只想单独编译一个模块，可以使用命令
makeM=drivers/test/ modules         //只单独编译drivers/test中的.ko
makeM=drivers/test/ modules clean         //清除
上面的是在内核目录下的操作，但当我写驱动时，我并不可能在内核目录下编
写，但我编译时却要依赖内核中的规则和Makefile，所以就有了以下的方法，
同时这也是一般的编写驱动时Makefile的格式。
指定内核Makefile并单独编译
make-C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module
make-C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module clean
//-C指定内核Makefile的路径，可以使用相对路径。
//-M指定要编译的文件的路径，同样课使用相对路径。
编译生成的模块可以指定存放的目录
make-C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` modules_installINSTALL_MOD_PATH=/nfsroot   

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

七、总结

说了这么久估计都说糊涂了，其实我只是想表达一下内核编译时大体上究竟是怎么样的一个过程。
我以编译S3C2440的内核为例再说一遍：
1一般我们会想将一份S3C2440的默认配置拷贝到内核跟目录下并改名为.config。
2.makemenuconfig
2.1、由总Makefile决定编译的体系结构(ARCH).编译工具(CROSS_COMPILE)，并知道需要进去哪些内核根下的哪些目录进行编译。
2.2、由arch/$(ARCH)/Makefile,决定arch/$(ARCH)下还有的哪些目录和文件需要编译。
2.3、知道了需要编译的目录后，递归的进入哪些目录下，读取每一个Kconfig的信息，生成了图形配置的界面。
2.4、通过我们在图形配置界面中选项为

、[M]或者[]。
2.5、保存并退出配置，会根据配置生成一份新的配置文件.config，并在同时生成include/config/auto.conf（这是.config的去注释版）。文件里面保存着CONFIG_XXXX等变量应该取y还是取m。
3.make
3.1、根据Makefile包含的目录和配置文件的要求，进去个子目录进行编译，最后会在各子目录下生成一个.o或者.a文件，然后总Makefile指定的连接脚本arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds生成vmlinux，并通过压缩编程bzImage，或者按要求在对应的子目录下编译成模块。
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx