1.1 內核在操作系統中的位置

• 用戶進程：用戶應用程序是運行在 Linux 操作系統最高層的一個龐大的軟件集合。當一個用戶程序
  在操作系統之上運行時，它成為操作系統中的一個進程。
• 系統調用接口：在應用程序中， 可通過系統調用來調用操作系統內核中特定的過程， 以實現特定的服務。
• 系統調用本身也是由若幹條指令構成的過程。但它與一般的過程不同，主要區別是：系統調用是運行在內核態（或叫系統態），而一般過程是運行在用戶態。在 Linux 中，系統調用是內核代碼的一部分。
• Linux內核：內核是操作系統的靈魂，它負責管理磁盤上的文件、內存，負
  責啟動並運行程序，負責從網絡上接收和發送數據包等。簡言之，內核實際是抽象的資源操
  作到具體硬件操作細節之間的接口。
• 硬件

1.2 Linux內核抽象結構

　　（1）進程調度（SCHED）控制著進程對 CPU 的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際是僅等待 CPU 資源的進程，如果某個進程在等待其他資源，則該進程是不可運行進程。Linux 使用了比較簡單的基於優先級的進程調度算法選擇新的進程。

　　（2）內存管理（MM）允許多個進程安全地共享主內存區域。Linux 的內存管理支持虛擬內存，即在計算機中運行的程序，其代碼、數據和堆棧的總量可以超過實際內存的大小，操 作系統只將當前使用的程序塊保留在內存中，其余的程序塊則保留在磁盤上。必要時，操作

　　內存管理從邏輯上可以分為硬件無關的部分和硬件相關的部分。硬件無關的部分提供了進程的映射和虛擬內存的對換；硬件相關的部分為內存管理硬件提供了虛擬接口。

　　（3）虛擬文件系統（Virtul File System，VFS）隱藏了各種不同硬件的具體細節，為所有設備提供了統一的接口，VFS 還支持多達數十種不同的文件系統，這也是 Linux 較有特色的一部分

　　虛擬文件系統可分為邏輯文件系統和設備驅動程序。邏輯文件系統指 Linux 所支持的文件系統，如 ext2，fat 等，設備驅動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

　　（4）網絡接口（NET）提供了對各種網絡標準協議的存取和各種網絡硬件的支持。網絡

　　（5）進程間通信（IPC） 支持進程間各種通信機制。

1.3 內核源代碼目錄結構

　　include/目錄包含了建立內核代碼時所需的大部分包含文件，這個模塊利用其他模塊重建內核。

　　init/ 子目錄包含了內核的初始化代碼，這是內核開始工作的起點。

　　arch/子目錄包含了所有硬件結構特定的內核代碼

　　drivers/ 目錄包含了內核中所有的設備驅動程序

　　fs/ 目錄包含了所有文件系統的代碼

　　net/ 目錄包含了內核的連網代碼

　　mm/ 目錄包含了所有的內存管理代碼

　　ipc/ 目錄包含了進程間通信的代碼

　　kernel/ 目錄包含了主內核代碼

1.4 內核源碼讀法

1.4.1 系統的啟動和初始化

　　當u-boot 把內核裝入到內存中後，並把控制權傳遞給內核時，內核開始啟動。啟動可以看 arch/*/kernel/head.S，head.S進行特定結構的設置，然後跳轉到 init/main.c 中執行。

1.4.2 內存管理

　　內存管理的代碼主要在 /mm 中，特定結構的代碼在 arch/*/mm。缺頁中斷處理的代碼在 /mm/memory.c，內存映射和頁高速緩存器的代碼在 mm/filemap.c 。緩沖器高速緩存是在mm/buffer.c 中實現，而交換高速緩存是在 mm/swap_state.c 和 mm/swapfile.c 中實現。

1.4.3 內核

　　內核中，特定結構的代碼在 arch/*/kernel，調度程序在 kernel/sched.c，fork 的代碼在 kernel/fork.c，task_struct 數據結構在 include/linux/sched.h 中。

1.4.4 PCI

　　PCI 偽驅動程序在 drivers/pci/pci.c ，其定義在 include/linux/pci.h。

1.4.5 進程間通信

　　所有 System V IPC 對象權限都包含在 ipc_perm 數據結構中，這可以在include/linux/ipc.h 中找到， System V 消息是在 ipc/msg.c 中實現, 共享內存在 ipc/shm.c 中，信號量在 ipc/sem.c 中，管道在 ipc/pipe.c 中實現。

1.4.6 中斷處理

　　內核的中斷處理代碼是幾乎所有的微處理器所特有的。

1.4.7 設備驅動程序

　　Linux 內核源代碼的很多行是設備驅動程序。Linux 設備驅動程序的所有源代碼都保存在/driver，根據類型可進一步劃分為：
　　/block
　　　　塊設備驅動程序如 ide（在 ide.c）。如果想看包含文件系統的所有設備是如何被初始化的，應當看 drivers/block/genhd.c 中的 device_setup（），device_setup（）不僅初始化了硬盤，當一個網絡安裝 nfs 文件系統時，它也初始化網絡。塊設備包含了基於 IDE 和 SCSI的設備。
　　/char
　　　　這是看字符設備（如 tty，串口及鼠標等）驅動程序的地方。
　　/cdrom
　　　　Linux 的所有 CDROM 代碼都在這裏， 如在這兒可以找到 Soundblaster CDROM 的驅動程序。
　　　　註意 ide CD 的驅動程序是 ide-cd.c，放在 drivers/block；SCSI CD 的驅動程序是 scsi.c，放在 drivers/scsi。
　　/pci
　　　　這是 PCI 偽驅動程序的源代碼，在這裏可以看到 PCI 子系統是如何被映射和初始化的。
　　/scsi
　　　　在這裏可以找到所有的 SCSI 代碼及 Linux 所支持的 scsi 設備的所有設備驅動程序。
　　/net
　　　　在這裏可以找到網絡設備驅動程序，如 DECChip 21040 PCI 以太網驅動程序在 tulip.c 中。
　　/sound
　　　　這是所有聲卡驅動程序的所在地。

1.4.8 文件系統

　　EXT2 文件系統的源代碼全部 在 fs/ext2/ 目錄下，而其數據結構的定義在 include/linux/ ext2_fs.h,ext2_fs_i.h 及 ext2_fs_sb.h 中。虛擬文件系統的數據結構在 include/linux/fs.h 中描述，而代碼是在 fs/* 中。 緩沖區高速緩存與更新內核的守護進程的實現是在 fs/buffer.c 中。

1.4.9 網絡

　　網絡代碼保存在/net 中，大部分的 include 文件在 include/net 下，BSD 套節口代碼在 net/socket.c 中，IP 第 4 版本的套節口代碼在 net/ipv4/af_inet.c。
　　一般的協議支持代碼（包括 sk_buff 處理例程）在 net/core 下，TCP/IP 聯網代碼在 net/ipv4 下，網絡設備驅動程序在/drivers/net 下。

1.4.10 模塊

　　內核模塊的代碼部分在內核中，部分在模塊包中，前者全部在 kernel/modules.c 中，而數據結構和內核守護進程 kerneld 的信息分別在 include/linux/module.h 和include/linux/kerneld.h 中。
　　如果想看 ELF 目標文件的結構，它位於 include/linux/elf.h 中。

1.5 zImage生成過程

　　通過內核初始化、內核配置、內核構建、內核安裝過程，形成Linux內核並處於可啟動狀態。

1.5.1 內核初始化

　　make distclean：執行 mrproper 命令，清除內核編譯後生成的所有對象文件、備份文件等。

　　make mrproper：只清除包括 .config 文件在內的、為內核編譯及鏈接而生成的諸多設置文件。

　　這兩個命令可以使內核恢復到剛解壓的狀態。

　　make clean：刪除大多數生成的文件，留下編譯的擴展模塊。

　　頂層的 Makefile 中可以查看到這三個命令

1.5.2 內核配置

• 內核配置的三個工具：
  • make xconfig
  • make menuconfig
  • make gconfig
• 在 scripts/Kconfig/Makefile 中可以查看到這些對象，各對象會執行與之對應的二進制文件。

• 也可以使用 arch/$ARCH/configs 下的默認配置文件，進行修改。執行 make xxx_defconfig，就會生成 .config文件。
• .config 文件是只構建自身內核所需的內核配置目錄。在 CONFIG_XXX變量值中用y、n、m這三個狀態進行內核配置的目錄。這種形態的內核配置系統叫做 kconfig 。根據 kconfig 提供的三個狀態（y n m）決定是否構建內核。
  • y：相應的二進制文件與 vmlinux 鏈接
  • n：不構建
  • m：雖然不會和 vmlinux 鏈接，但是作為模塊執行編譯。
• mconf 通過 .config 配置文件生成 autoconf.h 頭文件。可通過 scripts/kconfig/confdata.c 的conf_write_autoconf 函數得知 autoconf.h 的生成過程　　
• 內核利用以 .config 文件為背景生成的 autoconf.h 文件，在預處理階段決定是否包含#ifdef 中的語句

1.5.3 內核構建

• 構建內核是指編譯內核並鏈接二進制文件，由此生成一個二進制文件 zImage 的過程。
• 從頂端的 Makefile 開始編譯內核，並通過因 Kbuild 系統而存在的 script 目錄上的多個腳本文件生成 zImage 。

　　KBUILD_IMAGE 的變量名為 zImage，最後執行 arch/arm/boot/Makefile 中的 Makefile 對象，如下：

　　$(call if_changed,objcopy) 將執行script/Makefile.lib 中聲明的 cmd_objcopy 。

　　接著執行 arch/arm/boot/compressed/Makefile：

　　生成 vmlinux 的映像結構如下：

　　zImage的生成過程：

1.5.4 內核安裝

一、內核結構