linux操作系统结构

1、Linux Kernel架构架构黄松青黄松青操作系统操作系统(OS)的概念的概念 v一个系统管理程序，管理计算机的资源，给用一个系统管理程序，管理计算机的资源，给用户一个使用这些资源的平台户一个使用这些资源的平台v一个服务程序，操作系统都是为用户应用程序一个服务程序，操作系统都是为用户应用程序服务的，服务的方式是通过系统调用服务的，服务的方式是通过系统调用 system callvLinux是一个多任务是一个多任务,跨平台的现代操作系统跨平台的现代操作系统为什么要有操作系统为什么要有操作系统v 多任务的要求多任务的要求v 统一的服务接口，合理使用资源，如内存统一的服务接口，合理使用资源，如内存

2、v 管理并发时对资源使用冲突管理并发时对资源使用冲突v 减少开发的难度减少开发的难度v 安全性的要求安全性的要求v 网络（网络（TCP/IP）的使用）的使用v GUI的使用要求的使用要求v 应用程序移植性的要求应用程序移植性的要求v 用户操作的方便性用户操作的方便性操作系统的组成操作系统的组成v进程管理模块进程管理模块v内存管理模块内存管理模块v文件系统管理模块文件系统管理模块v设备管理模块设备管理模块v异常和中断管理模块异常和中断管理模块v网络协议模块网络协议模块v 进程管理进程管理v进程进程(process)的概念的概念v系统的第一个进程系统的第一个进程Initv用户进程如何运行和退出用户

3、进程如何运行和退出v记录进程的信息，进程控制块记录进程的信息，进程控制块 PCB v系统调度系统调度,不同的系统有不同的策略不同的系统有不同的策略 v用户进程进入系统的唯一途径用户进程进入系统的唯一途径, system 内存管理内存管理v内存是系统资源的一种内存是系统资源的一种 v内存的分类内存的分类 SRAM, SDRAM, FB, Registers, 外设片上内存外设片上内存v物理内存的管理物理内存的管理 v虚拟内存的管理虚拟内存的管理,内核空间与用户空间内核空间与用户空间 v内核与用户内存的分配内核与用户内存的分配 v内存碎片的产生和避免内存碎片的产生和避免文件系统管理文件系统管理v永

4、久性存储设备，永久性存储设备，disk, flash, sd, cf v分区、格式化及文件分区、格式化及文件 v一个简单的文件系统的例子一个简单的文件系统的例子 v系统看存储地址是线性系统看存储地址是线性 v进程看待文件的统一化和抽象化进程看待文件的统一化和抽象化设备管理设备管理vHAL层的概念层的概念, 开放性的理念开放性的理念 v设备的驱动设备的驱动 v系统要记录和管理设备的存在系统要记录和管理设备的存在 v安全使用设备安全使用设备v设备是一种特殊的文件设备是一种特殊的文件v进程如何使用设备，进程如何使用设备，open/close, read/write, Linux kernel历史历史

5、v1991年由当时的芬兰学生年由当时的芬兰学生linus torvalds编写并以编写并以GNU GPL的方式发布到的方式发布到Internet上上,称为称为0.11版版v1994年年,出出1.0.0版本版本v1996年年,出出2.0版本版本v1999年年,出出2.2版本版本v2001年年,出出2.4版本版本v2003年年,出出2.6版本版本,至今都稳定在该版本至今都稳定在该版本Linux kernel的特点的特点v 类类Unix,遵循遵循POSIX标准标准v 支持很多的体系结构支持很多的体系结构,如如X86,Arm,Mips等等等等,有极强的平台可有极强的平台可伸缩性伸缩性 v Open S

6、ource(GNU GPL)v 单内核单内核,开放可扩展开放可扩展v 真正的多任务多用户真正的多任务多用户 v 具有强大的网络功能具有强大的网络功能 ,尤其对尤其对Tcp/ip支持支持v 开发功能强开发功能强,开发环境免费开发环境免费v 设备独立性设备独立性, 系统把所有外部设备统一当作成文件来看待及操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待及操作v 可靠的系统安全可靠的系统安全v Linux系统软件层次结构系统软件层次结构Linux中处理器的运行中处理器的运行vLinux Kernel初始化完毕后，程序运行在以初始化完毕后，程序运行在以下的上下文空间中：下的上下文空间中： 1）运行于用户空间

7、，执行用户程序）运行于用户空间，执行用户程序 2）运行于内核空间，处于当前进程的）运行于内核空间，处于当前进程的 上下文上下文 3）运行于中断，处于中断上下文，与进程）运行于中断，处于中断上下文，与进程无关无关,因为中断的不可预知因为中断的不可预知fread()文件的执行举例文件的执行举例v 用户进程在用户空间，使用用户进程在用户空间，使用C库库fread()读文件读文件v Fread()调用调用read()系统调用，进入系统空间，执系统调用，进入系统空间，执行系统代码行系统代码v 系统根据文件对存储设备进行数据请求，在数据没准系统根据文件对存储设备进行数据请求，在数据没准备就绪是让出备就绪是

8、让出CPU使其他进程运行。使其他进程运行。v 存储设备数据准备就绪，向存储设备数据准备就绪，向CPU发出中断请求，发出中断请求，CPU响应进入中断上下文，并唤醒该文件的读进程响应进入中断上下文，并唤醒该文件的读进程v 在某时刻，读文件的进程再次运行，取到数据，返回在某时刻，读文件的进程再次运行，取到数据，返回用户空间用户空间获取获取Linux内核源代码内核源代码v从官方网站获取从官方网站获取:,主要主要 是是X86平台的版本平台的版本v以以BSP包的方式获取包的方式获取,主要在嵌入式的平台上主要在嵌入式的平台上用的方式用的方式v补丁补丁,从版本从版本2.6.20升级

9、到升级到2.6.21 #cd 到到2.6.20 linux 目录目录 #patch p1 退出退出-保存后产保存后产生生.config 文件文件,文件中包含有各种选择了的配置选项文件中包含有各种选择了的配置选项,以供以供Makefile使用使用,Makefile在会根据在会根据.config的选项来产生的选项来产生 autoconf.h, autoconf.h是以是以C语言的形式定义的各编译选语言的形式定义的各编译选项项,供供kernel的源文件的源文件Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v 选择相应的配置时，有三种选择，它们分别代表的含选择相应的配置时，有三种选择，它们分别代表的含

10、义如下：义如下： Y Y- -将该功能编译进内核将该功能编译进内核 N N- -不将该功能编译进内核不将该功能编译进内核 M M- -将该功能编译成模块，可以在需要时动态插入到内核中将该功能编译成模块，可以在需要时动态插入到内核中 make xconfig，使用鼠标就可以选择对应的选项。 make menuconfig，则需要使用空格键进行选取。v 如果有不明白的地方，按如果有不明白的地方，按 shift+shift+？的组合键来查看说明？的组合键来查看说明Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的原则配置的原则1)大部分选项可以使用其缺省值或者BSP选用缺省值，只有小部分需要根据

11、用户不同的需要选择。2)将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块。 有利于减小内核的长度，减小内核消耗的内存；3)不需要的功能就不要选；4)与内核关心紧密而且经常使用的部分功能代码直接编译到内核中。Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v 配置工作过程配置工作过程: MakefileMakefile 分布在 Linux 内核源代码中的 Makefile，定义 Linux 内核的编译规则； 顶层目录的Makefile管理整个Linux内核的配置编译。 配置工具配置工具 不同的内核配置方式，通过不同的配置工具完成。script目录下提供了这些配置工具。如menu

12、config目标使用mconf。 KconfigKconfig文件文件 2.6内核引入的配置文件，是内核配置选项的源文件。 arch/$(ARCH)/Kconfig文件是主Kconfig文件，主Kconfig文件调用其他目录的Kconfig文件。 这些Kconfig文件形成树状关系-树状菜单。Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置工作过程配置工作过程:v 当用户执行配置命令当用户执行配置命令,Makefile调用配置工具调用配置工具mconf, mconf从从arch/$(ARCH)/Kconfig开开始搜索各目录中的始搜索各目录中的Kconfig文件文件,并根据这些文件形并根据

13、这些文件形成图形化的配置界面成图形化的配置界面,给用户进行配置给用户进行配置v Kconfig文件是产生文件是产生.config文件的输入文件文件的输入文件,也就是也就是说说.config中的选项是由中的选项是由Kconfig决定的决定的v 这是这是Linux2.6内核独有的配置系统内核独有的配置系统v 用户可以根据需要增加和修改其中的配置选项用户可以根据需要增加和修改其中的配置选项Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的注意选项配置的注意选项 Code maturity level options - 应该选择 * Prompt for development and/or i

14、ncomplete code/drivers 这将会在设置界面中显示还在开发或者还没有完成的代码与驱动. 因为有许多设备可能必需选择这个选项才能进行配置，实际上它是安全的。Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的注意选项配置的注意选项 2 General setup -大部分保持默认 * Support for paging of anonymous memory (swap) 应该选择这个选项将使你的内核支持虚拟内存。Pc上应该选择,而嵌入式上一般不选 * System V IPC 应该选择为进程提供通信机制。有些程序只有在选Y的情况下才能运行，这里一定要选。 * POSIX

15、Message Queues POSIX的消息队列，它同样是一种IPC，应该选择 * Support for hot-pluggable devices 支持热插拔的，若是为普通电脑配置内核，则最好选择Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的注意选项配置的注意选项 3 Loadable module support - * Enable loadable module support 应该选择这个选项可以让你的内核支持模块。一般一些不常用到的驱动或特性可以编译为模块以减少内核的体积。 * Module unloading 应该选择这个选项可以让你卸载不再使用的模块，如果不选的话你

16、将不能卸载任何模块 * Forced module unloading强行卸载模块，可以把正在使用中的模快卸载掉。做内核开发或者驱动开发的时候，有一定的好处。但一般用户不应该选择。Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的注意选项配置的注意选项 4 Executable file formats - * Kernel support for ELF binaries 一定要选 5 Device Drivers - Memory Technology Devices (MTD) - 存储设备层，大部分的flash芯片驱动都基于MTD。用于嵌入式系統。 Block devices Lo

17、opback device support可以将一个文件挂成一个文件系统。mount iso文件Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译v配置的注意选项配置的注意选项 6 file systems - 必须将根文件系统直接编译到内核中。并且在这里选择系统支持的文件系统。Linux 2.6内核配置与编译内核配置与编译vcd到到ARM Linux 2.6的安装目录中的安装目录中v#make 在当前目录中将产生在当前目录中将产生vmlinux即为内核文件即为内核文件v#make modules #make modules_install 将产生在内核代码树中以模块方式编译的模块将产生在内核代码树中以模块方式编译的模块Linux内核启动流程内核启动流程v bootloader加载加载kernel到内存到内存v arch/mips/kernel/head.Sv init/main.c start_kernel