嵌入式Linux驅動(dòng)開(kāi)發(fā)4412-實(shí)驗01內核開(kāi)發(fā)基礎

發(fā)布時(shí)間:2020-12-1 10:53    發(fā)布者:就是塔塔
實(shí)驗 01 內核開(kāi)發(fā)基礎-基于迅為4412開(kāi)發(fā)板
1.1 本章導讀
本實(shí)驗將帶您學(xué)習一遍 Linux 的框架和源碼目錄結構。
從任何地方拿到的 Linux 源碼,都有幾百 M 大小,包含上萬(wàn)個(gè)文件。
這么多的文件!那么問(wèn)題來(lái)了,應該從什么地方入手呢?
哪些內容應該“深入研究”?
哪些內容應該“驚鴻一瞥”?
哪些內容應該“束之高閣”?
本期實(shí)驗“內核開(kāi)發(fā)基礎”,帶大家快速梳理一遍,把和學(xué)習無(wú)關(guān)的內容剔除掉。
1.1.1 工具
1.1.1.1 硬件工具
PC 機一臺
1.1.1.2 軟件工具
軟件 Source Insight
Linux 源碼“iTop4412_Kernel_3.0_xxx”(在光盤(pán)目錄“/Android 源碼”文件夾下,xxx表示日期)
1.1.2 預備課程
視頻教程“01-燒寫(xiě)、編譯以及基礎知識視頻”→“實(shí)驗 12-使用 Source Insight 加載和閱讀內核源碼”
使用手冊“3.5 Source Insight 的安裝和使用”
1.1.3 視頻資源
本節配套視頻為“視頻 01_內核開(kāi)發(fā)基礎”
1.2 學(xué)習目標
本章需要學(xué)習以下內容:
理解 Linux 體系結構
了解 Linux 內核結構
了解 Linux 內核源碼目錄結構
了解學(xué)習 Linux 的大方向→驅動(dòng)
1.3 Linux 體系結構
如下圖所示,Linux 體系結構,從大的方面可以分為用戶(hù)空間(User Space)和內核空間(Kernel Space)。

用戶(hù)空間中包含了 C 庫,用戶(hù)的應用程序。在某些體系結構圖中還包含了 shell,當然shell 腳本也是 Linux 體系中不可缺少的一部分。
內核空間包括硬件平臺、平臺依賴(lài)代碼、內核、系統調用接口。
在任何一個(gè)現代操作系統中,都是分層的。為什么需要分層呢?
從程序員的角度分析,將 linux 底層和和應用分開(kāi),將 linux 底層和應用分開(kāi),做應用的做應用,做底層的做底層,各干各的。經(jīng)濟學(xué)的基本原理是,分工產(chǎn)生效率。
從安全性的角度分析,是為了保護內核,F代 CPU 通常都實(shí)現了不同的工作模式。
ARM 為例:ARM 實(shí)現了 7 種工作模式,不同模式下 CPU 可以執行的指令或者訪(fǎng)問(wèn)的寄存器不同: (1)用戶(hù)模式 usr (2)系統模式 sys(3)管理模式 svc(4)快速中斷 fiq(5)外部中斷irq(6)數據訪(fǎng)問(wèn)終止 abt(7)未定義指令異常。如果任何一個(gè)上層應用都可以調用都可以調用寄存器,那樣肯定是無(wú)法穩定執行的。而且因為出現了這個(gè)問(wèn)題,出現了一個(gè)新的學(xué)科“現代操作系統”,如果大家感興趣可以看一下“現代操作系統”相關(guān)文章或者書(shū)籍。
以 X86 為例:X86 實(shí)現了 4 個(gè)不同級別的權限,Ring0—Ring3 ;Ring0 下可以執行特權指令,可以訪(fǎng)問(wèn) IO 設備;Ring3 則有很多的限制
如果分析一下 Android 的,這方面做的更加“喪心病狂”,Android 所有的 APK 應用程序,都是在 Java 虛擬機上面運行,應用程序更加遠離底層。
另外,用戶(hù)空間和內核空間是程序執行的兩種不同狀態(tài),可以通過(guò)“系統調用”和“硬件中斷”來(lái)完成用戶(hù)空間到內核空間的轉移。
1.4 Linux 內核結構
這一節,分析一下內核結構。
如下圖所示,是 Linux 內核結構圖。

SCI 層(System Call Interface),這一層是給應用用戶(hù)空間提供一套標準的系統調用函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn) Linux。前面分析 Linux 體系結構的時(shí)候,介紹過(guò)任何一類(lèi)現代操作系統都不會(huì )允許上層應用直接訪(fǎng)問(wèn)底層,在 Linux 中,內核提供了一套標準接口,上層應用就可以通過(guò)這一套標準接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)底層。
PM(Procees Management),這一部分包括具體創(chuàng )建創(chuàng )建進(jìn)程(fork、exec),停止進(jìn)程(kill、exit),并控制他們之間的通信(signal 等)。還包括進(jìn)程調度,控制活動(dòng)進(jìn)程如何共享 CPU。這一部分是 Linux 已經(jīng)做好的,在寫(xiě)驅動(dòng)的時(shí)候,只需要調用對應的函數即可實(shí)現這些功能,例如創(chuàng )建進(jìn)程、進(jìn)程通信等等。
MM(Memory Management),內存管理的主要作用是控制多個(gè)進(jìn)程安全的共享內存區域。
VFS(Virtual File Systems),虛擬文件系統,隱藏各種文件系統的具體細節,為文件操作提供統一的接口。在 Linux 中“一切皆文件”,這些文件就是通過(guò) VFS 來(lái)實(shí)現的。Linux 提供了一個(gè)大的通用模型,使這個(gè)模型包含了所有文件系統功能的集合。如下圖所示,是一個(gè)虛擬文件系統的結構圖。

Device Drivers 設備驅動(dòng),這一部分就是需要學(xué)習和掌握的。Linux 內核中有大量的代碼在設備驅動(dòng)程序部分,用于控制特定的硬件設備。
Linux 驅動(dòng)一般分為網(wǎng)絡(luò )設備、塊設備、字符設備、雜項設備,需要編寫(xiě)的只有字符設備,雜項設備是不容易歸類(lèi)的一種驅動(dòng),雜項設備和字符設備有很多重合的地方。
網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧,Linux 內核中提供了豐富的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現。
1.5 Linux 內核源碼目錄結構
Linux 內核源碼采用樹(shù)形結構。功能相關(guān)的文件放到不同的子目錄下面,使程序更具有可讀行。
使用 Source Insight 打開(kāi)源碼,如下圖所示,可以看到源碼是樹(shù)形結構。

下面來(lái)介紹每一個(gè)目錄的作用。
arch 目錄是平臺目錄。處理器原廠(chǎng)提供一套 Linux 內核的源碼,那么在這個(gè)目錄下都有一套針對具體處理器 CPU 的子目錄。每個(gè) CPU 的子目錄,又進(jìn)一步分解為 boot,mm,kernel 等子目錄,分別控制系統引導,內存管理,系統調用,動(dòng)態(tài)調頻,主頻率設置部分等。
在 arch 目錄中有關(guān)鍵的平臺文件。任何一款支持 Linux 的處理器,都有一部分內核代碼是針對特定的處理器來(lái)提供的,具體的實(shí)現就是通過(guò)平臺文件。
迅為 iTOP-4412 的平臺文件,是 arch→arm→mach-exynos→mach-itop4412.c。
arch→arm→boot 目錄,默認編譯生成的內核鏡像是在這個(gè)目錄下。
在 arch→arm→kernel 目錄中,有針對具體 CPU 處理器的代碼,有相關(guān)內核特性實(shí)現方式,如信號處理等。這一部分當然是芯片廠(chǎng)商做好了,4412 的這部分就是三星已經(jīng)做好的部分。
在 arch→arm→lib 目錄中,有一些和硬件相關(guān)庫函數,后面學(xué)習驅動(dòng)的時(shí)候會(huì )使用到。
在 arch→arm→tools 目錄中,包含了生成鏡像的工具。

如下圖所示。
在 binary 目錄中,有一些無(wú)源碼的驅動(dòng)以二進(jìn)制放到該文件夾,例如一些測試版本或者不愿意公布源碼,都可以將二進(jìn)制文件放到這個(gè)目錄中。
在 drivers 目錄中,就是需要重點(diǎn)學(xué)習的部分,后面的實(shí)驗都是圍繞這一步進(jìn)行的。
在 include 目錄中,通用的 Linux 頭文件都在該文件下。

如下圖所示,部分目錄如下。下面的這些目錄,幾乎不需要去動(dòng)其中任何一個(gè)文件。

如下圖所示,有內核編程的范例,實(shí)現安全性的代碼,聲卡設備驅動(dòng)等
還有內核裁減配置工具目錄 tools,這一部分實(shí)現的功能是將.c 編譯成目標文件,連接合并成可運行的內核鏡像文件等。提供給大家的內核源碼一百多 M,最后編譯成的 zImage 只有不到 5M,這都是依靠這個(gè)工具來(lái)實(shí)現的,后面會(huì )有針對性的實(shí)驗來(lái)教大家如何使用編譯工具。
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