《Linux4.0设备驱动开发详解》笔记--第二章：Linux内核及内核编程

时间：2022-04-05 10:29:40

2.1 Linux内核发展及演变

  • 1991年10月5日 Linus Torvalds创建
  • 五个支柱：Unix系统、Minix系统、GNU计划、POSIX标准和Internet
  • 每2-3个月更新一次大的版本号

2.2 Linux2.6后的内核特点

  1. 新的调度器：高负荷下的出色性能，更好的处理器扩展，采用CFS算法，新增调度类：SCHED_DEADLINE，它实现了EDF(最早截止期限优先)算法
  2. 内核抢占：提高系统的实时性，增强系统的交互性，但也有不可抢占的空间：中断上下文、软中断上下文和自旋锁的区间，如果打上RT-Preempt补丁，即可支持硬实时。
  3. 改进线程模型：采用NPTL（本地POSIX线程库）模型，操作速度极大提高，更加遵循POSIX规范
  4. 虚拟化内存变化：融合了r-map（反向映射，通过页结构快速找到页面的映射）技术，改善虚拟内存在一定大小负载下的性能
  5. 文件系统：新增基于B树的Btrfs，是下一代的Linux文件系统
  6. 音频：高级Linux音频体系结构ALSA取代缺陷很多的OSS，支持USB音频和MIDI设备，并支持双工重放等功能
  7. Linux3.7以后实现一个Linux可以适用于所有的arm系统

2.3 Linux内核组成

2.3.1 Linux内核代码的目录结构

  • arch：和硬件体系结构相关的代码，每个平台每个目录
  • block：块设备驱动的I/O调度
  • crypto：常用加密和散列算法，还有一些压缩以及CRC校验算法
  • documentation：内核各部分的通用解释和注释
  • fs：支持的各种文件系统
  • include：内核API级别的头文件，与系统相关的头文件放在include/linux子目录下
  • init：内核代码的初始化代码
  • ipc：进程间通信代码
  • lib：库文件代码
  • mm：内存管理代码
  • script：配置内核的脚本文件
  • usr：用于打包和压缩的cpio等

2.3.2 内核组成部分

  • 进程调度：多数进程是由用户空间创建，通过系统调用进入内核空间，内核编程是可以启动内核线程来处理并发任务，这些线程没有用户空间
  • 内存管理：控制多个进程安全的共享内存区域，通过MMU完成进程从虚拟空间向物理空间的转换
  • 虚拟文件系统：隐藏各个硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口，是文件系统的抽象
  • 网络接口：对各种网络标标准的存取和各种网络硬件的支持，分为网络协议和网络驱动程序
  • 进程间通信：信号量、共享内存、消息队列、管道以及Unix域套接字等

2.3.3 内核空间和用户空间

  • 内核可以进行任何操作，但应用程序被禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访问
  • 这两个名词用来区分程序执行的两种不同的状态，他们使用不同的地址空间，用户空间可以通过系统调用和硬件中断来访问内核空间

2.4 内核的编译及加载

2.4.1 Linux内核配置系统组成

  • Makefile：分布于内核源代码
  • 配置文件（Kconfig）：给用户提供配置选项
  • 配置工具：命令解析器和配置用户界面，都是脚本语言
  • 通过make config、make menuconfig生成.config文件记录哪部分被编入内核，哪部分被编译成模块
  • source可以引入每一层的Kconfig

2.4.2 Kconfig和Makefile

2.4.2.1linux增加程序需要完成以下3项工作

  • 将编写的源码复制到Linux内核源代码相应得目录中
  • 在目录的Kconfig文件中增加关于源代码相应的编译配置选项
  • 在目录的Makefile文件中增加对新源代码的编译条目

2.4.1.2Makefile语法规则

  • 目标定义：用来定义哪些内容要作为模块编译，哪些要编译并链接进内核，如：obj-y/m/n += foo.o，obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
  • 多文件模块的定义：如下，模块名为ext2，有balloc.o、dir.o等目标文件最终链接生成ext2.o直至ext2.ko文件，是否包含xattr.o、acl.o等文件取决于内核配置文件的配置情况。
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y :=balloc.o dir.o file.o ...
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o xattr_user.o ...
ext2-$(CONGIF_EXT2_FS_XIP) += xip.o
  • 目标层次迭代：如下， 当CONFIG_EXT2_FS的值为y或者m时，kbuild将会把ext2目录列入向下的目录中
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/

2.4.2.3Kconfig语法规则

配置选项

大多数内核配置选项对应的Kconfig中的一个配置选项，”config” 关键字定义新的配置选项，之后的几行代码定义了诶配置选项的属性。配置选项的属性包含：类型，数据提示，依赖关系，选择关系以及帮助信息、默认值等

config MODVERSIONS
    bool "Module versioning support"
    help
        Usually, you have to use modules compiled with your kernel.
        Saying Y here makes it ...
  • 每个配置选择必须包含指定的类型，包括bool，tristate, string, hex 和int，其中tristate和string是基本的类型，其他类型都是基于这两种类型，类型定以后可以紧跟输入提示，下面两段脚本是等价的
bool "Networking support"
和
bool
prompt "Networking support"
  • 输入提示的一般格式为以下形式，其中可选的if用来表示该提示的依赖关系。
prompt <prompt> [if <expr>]

默认值的格式为以下形式，如果用户不设置对应的选项则配置选项的值就是默认值

default <expr> [if <expr>]
  • 依赖关系的格式为以下形式，多重依赖中间要用“&&”间隔
depends on (或者requires) <expr>

依赖关系也可以用在菜单中的其他选项，如下两段脚本是等价的

bool "foo" if BAR
default y if BAR
和
depends on BAR
bool "foo"
default y
  • 选择关系的格式如下，如果A选择了B，那么A选中的情况下自动选中B
select <symbol> [if <expr>]
  • 数据范围格式如下
range <symbol> <symbol> [if <expr>]
  • Kconfig中的expr定义如下
<expr> :: <symbol>
<symbol> '=' <symbol>
<symbol> '!' <symbol>
            '(' <expr> ')'
            '!' <expr>
<expr> '&&' <expr>
<expr> '||' <expr>

symbol分为两类，一类由菜单入口配置项定义的非常数symbol，另一类是作为expr组成部分常数symbol。比如

config SHDMA_R8A73A4
       def_bool y
       depends on ARCH_R8A73A4 && SH_DMA != n

表达式“depends on ARCH_R8A73A4 && SH_DMA !=n”暗示只有当ARCH_R873A4被选中，而SH_DMA没有选中的时候，才可能出现这个SHDMA_R8A73A4。

  • 为int和hex类型的选项设置可以接受的输入值范围，用户只能输入大于等于第一个symbol，且小于等于第二个symbol的值
  • 帮助信息的格式为
help(或---help---)
    开始
...
    结束

菜单结构

配置选项在菜单结构的中的位置可有两种方法决定。
第一种方法为：

menu "Network device support"
    depends on NET
config NETDEVICES
...

所有处于“menu”和“endmenu”中的选项都会成为“Network device support”的子菜单，而且，所有的子菜单（config）选项都会继承父菜单（menu）的依赖关系，比如，“Network device support”对“NET”的依赖会被加载到配置选项NETDEVICES的依赖列表中。
注意：menu后面跟的“Network device support”项仅仅是一个菜单，没有对应真实的匹配项，也不具备不同的三种状态，这与config的区别。

另一种方法为：
同过分析依赖关系生成菜单结构。如菜单项在一定程度上依赖与前面的选项，他就能成为该选项的子菜单。如果父选项为“n”，子选项不可见；如果父选项可见，子选项才可见。例如：

config MODULES
    bool "Enable loadable module support"

config MODVERSIONS
    bool "Set version information on all module symbol"
    depends on MODULES

comment "module support disabled"
    depends on !MODULES

MODVERSIONS直接依赖MODULES,只有MODULES不为“n”时，该选项才可见。
除此之外，Kconfig中还可能使用“choices … endchoice”、”comment”、“if…endif”这样的语法结构。其中“choices … endchoice”的结构

choice
<choice options>
<choice block>
endchoice

它定义一个选择群，其接受的选项（choice potions）可以是前面描述的任何属性，例如，LDD6410的VGA输出分辨率可以是1024*768或者是800*600，在driver/video/samsung/Kconfig中就定了如下choice

choice
depends on FB_S3C_VGA
prompt "Select VGA Resolution for S3C Framebuffer"
default FB_S3C_VGA_1024_768
config FB_S3C_VGA_1024_768
    bool "1024*768@60Hz"
---help---
    TBA
config FB_S3C_VGA_640_480
    bool "640*480@60Hz"
---help---
TAB
endchoice

上述例子中，prompt配合choice起到提示的作用。
具体例子见《Linux设备驱动开发详解》第三版 P72-73

2.4.3 Linux内核的引导

  1. 上电 => SOC嵌入bootrom 引导=> CPU0上的bootloader
  2. 其他非CPU0进入WFI状态等待CPU0唤醒
  3. CPU0引导bootloader唤醒非CPU0，唤醒后和CPU0都投入运行
  4. CPU0导致用户空间的init程序被调用，init派生出其他进程，其他进程在派生出其他进程
  5. bootloader代表为uboot，其代码仓库：http://git.devx.de/u-boot.git/
  6. zimage：是由未压缩的解压算法和压缩的内核组成，bootloader负责解压
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