《Linux4.0設備驅動開發詳解》筆記--第二章：Linux內核及內核編程

2.1 Linux內核發展及演變

• 1991年10月5日 Linus Torvalds創建
• 五個支柱：Unix系統、Minix系統、GNU計划、POSIX標准和Internet
• 每2-3個月更新一次大的版本號

2.2 Linux2.6后的內核特點

1. 新的調度器：高負荷下的出色性能，更好的處理器擴展，采用CFS算法，新增調度類：SCHED_DEADLINE，它實現了EDF(最早截止期限優先)算法
2. 內核搶占：提高系統的實時性，增強系統的交互性，但也有不可搶占的空間：中斷上下文、軟中斷上下文和自旋鎖的區間，如果打上RT-Preempt補丁，即可支持硬實時。
3. 改進線程模型：采用NPTL（本地POSIX線程庫）模型，操作速度極大提高，更加遵循POSIX規范
4. 虛擬化內存變化：融合了r-map（反向映射，通過頁結構快速找到頁面的映射）技術，改善虛擬內存在一定大小負載下的性能
5. 文件系統：新增基於B樹的Btrfs，是下一代的Linux文件系統
6. 音頻：高級Linux音頻體系結構ALSA取代缺陷很多的OSS，支持USB音頻和MIDI設備，並支持雙工重放等功能
7. Linux3.7以后實現一個Linux可以適用於所有的arm系統

2.3 Linux內核組成

2.3.1 Linux內核代碼的目錄結構

• arch：和硬件體系結構相關的代碼，每個平台每個目錄
• block：塊設備驅動的I/O調度
• crypto：常用加密和散列算法，還有一些壓縮以及CRC校驗算法
• documentation：內核各部分的通用解釋和注釋
• fs：支持的各種文件系統
• include：內核API級別的頭文件，與系統相關的頭文件放在include/linux子目錄下
• init：內核代碼的初始化代碼
• ipc：進程間通信代碼
• lib：庫文件代碼
• mm：內存管理代碼
• script：配置內核的腳本文件
• usr：用於打包和壓縮的cpio等

2.3.2 內核組成部分

• 進程調度：多數進程是由用戶空間創建，通過系統調用進入內核空間，內核編程是可以啟動內核線程來處理並發任務，這些線程沒有用戶空間
• 內存管理：控制多個進程安全的共享內存區域，通過MMU完成進程從虛擬空間向物理空間的轉換
• 虛擬文件系統：隱藏各個硬件的具體細節，為所有的設備提供了統一的接口，是文件系統的抽象
• 網絡接口：對各種網絡標標准的存取和各種網絡硬件的支持，分為網絡協議和網絡驅動程序
• 進程間通信：信號量、共享內存、消息隊列、管道以及Unix域套接字等

2.3.3 內核空間和用戶空間

• 內核可以進行任何操作，但應用程序被禁止對硬件的直接訪問和對內存的未授權訪問
• 這兩個名詞用來區分程序執行的兩種不同的狀態，他們使用不同的地址空間，用戶空間可以通過系統調用和硬件中斷來訪問內核空間

2.4 內核的編譯及加載

2.4.1 Linux內核配置系統組成

• Makefile：分布於內核源代碼
• 配置文件（Kconfig）：給用戶提供配置選項
• 配置工具：命令解析器和配置用戶界面，都是腳本語言
• 通過make config、make menuconfig生成.config文件記錄哪部分被編入內核，哪部分被編譯成模塊
• source可以引入每一層的Kconfig

2.4.2 Kconfig和Makefile

2.4.2.1linux增加程序需要完成以下3項工作

• 將編寫的源碼復制到Linux內核源代碼相應得目錄中
• 在目錄的Kconfig文件中增加關於源代碼相應的編譯配置選項
• 在目錄的Makefile文件中增加對新源代碼的編譯條目

2.4.1.2Makefile語法規則

• 目標定義：用來定義哪些內容要作為模塊編譯，哪些要編譯並鏈接進內核，如：obj-y/m/n += foo.o，obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
• 多文件模塊的定義：如下，模塊名為ext2，有balloc.o、dir.o等目標文件最終鏈接生成ext2.o直至ext2.ko文件，是否包含xattr.o、acl.o等文件取決於內核配置文件的配置情況。

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

• 目標層次迭代：如下， 當CONFIG_EXT2_FS的值為y或者m時，kbuild將會把ext2目錄列入向下的目錄中

obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/

2.4.2.3Kconfig語法規則

配置選項

大多數內核配置選項對應的Kconfig中的一個配置選項，”config” 關鍵字定義新的配置選項，之后的幾行代碼定義了誒配置選項的屬性。配置選項的屬性包含：類型，數據提示，依賴關系，選擇關系以及幫助信息、默認值等

config MODVERSIONS
    bool "Module versioning support"
    help
        Usually, you have to use modules compiled with your kernel.
        Saying Y here makes it ...

• 每個配置選擇必須包含指定的類型，包括bool，tristate, string, hex 和int，其中tristate和string是基本的類型，其他類型都是基於這兩種類型，類型定以后可以緊跟輸入提示，下面兩段腳本是等價的

bool "Networking support"
和
bool
prompt "Networking support"

• 輸入提示的一般格式為以下形式，其中可選的if用來表示該提示的依賴關系。

prompt <prompt> [if <expr>]

默認值的格式為以下形式，如果用戶不設置對應的選項則配置選項的值就是默認值

default <expr> [if <expr>]

• 依賴關系的格式為以下形式，多重依賴中間要用“&&”間隔

depends on (或者requires) <expr>

依賴關系也可以用在菜單中的其他選項，如下兩段腳本是等價的

bool "foo" if BAR
default y if BAR
和
depends on BAR
bool "foo"
default y

• 選擇關系的格式如下，如果A選擇了B，那么A選中的情況下自動選中B

select <symbol> [if <expr>]

• 數據范圍格式如下

range <symbol> <symbol> [if <expr>]

• Kconfig中的expr定義如下

<expr> :: <symbol>
            <symbol> '=' <symbol>
            <symbol> '!' <symbol>
            '(' <expr> ')'
            '!' <expr>
                <expr> '&&' <expr>
                <expr> '||' <expr>

symbol分為兩類，一類由菜單入口配置項定義的非常數symbol，另一類是作為expr組成部分常數symbol。比如

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

表達式“depends on ARCH_R8A73A4 && SH_DMA !=n”暗示只有當ARCH_R873A4被選中，而SH_DMA沒有選中的時候，才可能出現這個SHDMA_R8A73A4。

• 為int和hex類型的選項設置可以接受的輸入值范圍，用戶只能輸入大於等於第一個symbol，且小於等於第二個symbol的值
• 幫助信息的格式為

help(或---help---)
    開始
    ...
    結束

菜單結構

配置選項在菜單結構的中的位置可有兩種方法決定。
第一種方法為：

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

所有處於“menu”和“endmenu”中的選項都會成為“Network device support”的子菜單，而且，所有的子菜單（config）選項都會繼承父菜單（menu）的依賴關系，比如，“Network device support”對“NET”的依賴會被加載到配置選項NETDEVICES的依賴列表中。
注意：menu后面跟的“Network device support”項僅僅是一個菜單，沒有對應真實的匹配項，也不具備不同的三種狀態，這與config的區別。

另一種方法為：
同過分析依賴關系生成菜單結構。如菜單項在一定程度上依賴與前面的選項，他就能成為該選項的子菜單。如果父選項為“n”，子選項不可見；如果父選項可見，子選項才可見。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直接依賴MODULES,只有MODULES不為“n”時，該選項才可見。
除此之外，Kconfig中還可能使用“choices … endchoice”、”comment”、“if…endif”這樣的語法結構。其中“choices … endchoice”的結構

choice
<choice options>
<choice block>
endchoice

它定義一個選擇群，其接受的選項（choice potions）可以是前面描述的任何屬性，例如，LDD6410的VGA輸出分辨率可以是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。
具體例子見《Linux設備驅動開發詳解》第三版 P72-73

2.4.3 Linux內核的引導

1. 上電 => SOC嵌入bootrom 引導=> CPU0上的bootloader
2. 其他非CPU0進入WFI狀態等待CPU0喚醒
3. CPU0引導bootloader喚醒非CPU0，喚醒后和CPU0都投入運行
4. CPU0導致用戶空間的init程序被調用，init派生出其他進程，其他進程在派生出其他進程
5. bootloader代表為uboot，其代碼倉庫：http://git.devx.de/u-boot.git/
6. zimage：是由未壓縮的解壓算法和壓縮的內核組成，bootloader負責解壓