嵌入式Linux驱动开发4412-实验01内核开发基础

孤久厌闹

实验 01 内核开发基础-基于迅为4412开发板
+ x% A* P4 u; V* b1.1 本章导读
本实验将带您学习一遍 Linux 的框架和源码目录结构。
, F% d% [6 r" x9 y* |2 u8 D从任何地方拿到的 Linux 源码，都有几百 M 大小，包含上万个文件。
1 z& {( E& Q+ ]' F这么多的文件！那么问题来了，应该从什么地方入手呢？
哪些内容应该“深入研究”？
- G& Z  O8 _* i9 a) q1 ?哪些内容应该“惊鸿一瞥”？
哪些内容应该“束之高阁”？
本期实验“内核开发基础”,带大家快速梳理一遍，把和学习无关的内容剔除掉。
7 K" w' A( z" m1.1.1 工具
- a. M, x$ L- I$ |1.1.1.1 硬件工具
PC 机一台
' B8 p/ p' v) e4 Z& V1.1.1.2 软件工具
" G& T  M. ?8 O' _$ n软件 Source Insight
Linux 源码“iTop4412_Kernel_3.0_xxx”（在光盘目录“/Android 源码”文件夹下,xxx表示日期）
6 a" u* Y$ l  s. y$ b9 B4 v1.1.2 预备课程
4 t" J$ R7 k& B* h9 u6 k视频教程“01-烧写、编译以及基础知识视频”→“实验 12-使用 Source Insight 加载和阅读内核源码”
8 E7 G+ l( X) s% j使用手册“3.5 Source Insight 的安装和使用”
3 c4 d0 U+ n; v% r. n& |  e4 |& B9 |1.1.3 视频资源
& d1 r; i: l& p2 x本节配套视频为“视频 01_内核开发基础”
1.2 学习目标
! o, ?# V7 r; J& a4 e本章需要学习以下内容：
理解 Linux 体系结构
了解 Linux 内核结构
# B6 k5 U" e! G4 r& n8 h& }了解 Linux 内核源码目录结构
) `6 O  P, j/ X% [% g( u了解学习 Linux 的大方向→驱动
1.3 Linux 体系结构
5 U# V4 _" ?7 e# n2 ~' k如下图所示，Linux 体系结构，从大的方面可以分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space）。

用户空间中包含了 C 库，用户的应用程序。在某些体系结构图中还包含了 shell，当然shell 脚本也是 Linux 体系中不可缺少的一部分。
内核空间包括硬件平台、平台依赖代码、内核、系统调用接口。
在任何一个现代操作系统中，都是分层的。为什么需要分层呢？
从程序员的角度分析，将 linux 底层和和应用分开，将 linux 底层和应用分开，做应用的做应用，做底层的做底层，各干各的。经济学的基本原理是，分工产生效率。
9 w5 R- W' H8 M: l7 h# F8 M3 s* B从安全性的角度分析，是为了保护内核。现代 CPU 通常都实现了不同的工作模式。
6 r& O! m  O5 P( E, @以 ARM 为例：ARM 实现了 7 种工作模式，不同模式下 CPU 可以执行的指令或者访问的寄存器不同： (1)用户模式 usr (2)系统模式 sys(3)管理模式 svc(4)快速中断 fiq(5)外部中断irq(6)数据访问终止 abt(7)未定义指令异常。如果任何一个上层应用都可以调用都可以调用寄存器，那样肯定是无法稳定执行的。而且因为出现了这个问题，出现了一个新的学科“现代操作系统”，如果大家感兴趣可以看一下“现代操作系统”相关文章或者书籍。
- a3 x$ [. |8 i* B3 D以 X86 为例：X86 实现了 4 个不同级别的权限，Ring0—Ring3 ;Ring0 下可以执行特权指令，可以访问 IO 设备；Ring3 则有很多的限制
9 S- g, F$ N$ W- v5 h2 l0 f" E如果分析一下 Android 的，这方面做的更加“丧心病狂”，Android 所有的 APK 应用程序，都是在 Java 虚拟机上面运行，应用程序更加远离底层。
另外，用户空间和内核空间是程序执行的两种不同状态，可以通过“系统调用”和“硬件中断”来完成用户空间到内核空间的转移。
! @8 R  ~- W8 Y1.4 Linux 内核结构
这一节，分析一下内核结构。
如下图所示，是 Linux 内核结构图。
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. p* F6 Q7 z: U% q3 a0 y/ ASCI 层（System Call InteRFace），这一层是给应用用户空间提供一套标准的系统调用函数来访问 Linux。前面分析 Linux 体系结构的时候，介绍过任何一类现代操作系统都不会允许上层应用直接访问底层，在 Linux 中，内核提供了一套标准接口，上层应用就可以通过这一套标准接口来访问底层。
) N! i# F" t6 x/ ~' OPM（Procees Management），这一部分包括具体创建创建进程（fork、exec）,停止进程（kill、exit）,并控制他们之间的通信（signal 等）。还包括进程调度，控制活动进程如何共享 CPU。这一部分是 Linux 已经做好的，在写驱动的时候，只需要调用对应的函数即可实现这些功能，例如创建进程、进程通信等等。
% z0 q# w. Q2 q# J3 |/ kMM（Memory Management），内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享内存区域。
8 ]3 _6 l6 `+ y5 O4 ?. QVFS（Virtual File Systems），虚拟文件系统，隐藏各种文件系统的具体细节，为文件操作提供统一的接口。在 Linux 中“一切皆文件”，这些文件就是通过 VFS 来实现的。Linux 提供了一个大的通用模型，使这个模型包含了所有文件系统功能的集合。如下图所示，是一个虚拟文件系统的结构图。
1 ^* [( G5 V, f; h
+ M7 F* u- b! L$ |$ v7 K! o4 EDevice Drivers 设备驱动，这一部分就是需要学习和掌握的。Linux 内核中有大量的代码在设备驱动程序部分，用于控制特定的硬件设备。
Linux 驱动一般分为网络设备、块设备、字符设备、杂项设备，需要编写的只有字符设备，杂项设备是不容易归类的一种驱动，杂项设备和字符设备有很多重合的地方。
$ k, N' V" e7 q2 w  y6 R) s网络协议栈，Linux 内核中提供了丰富的网络协议实现。
+ |6 e6 M8 h" Y/ V8 S$ ?1.5 Linux 内核源码目录结构
  |6 y* J/ T( e# k9 [9 \3 H+ C8 mLinux 内核源码采用树形结构。功能相关的文件放到不同的子目录下面，使程序更具有可读行。
7 f4 B6 t. b1 M; C. H# |/ s使用 Source Insight 打开源码，如下图所示，可以看到源码是树形结构。

% a  u+ C. s! g  h4 O下面来介绍每一个目录的作用。
' ?  S: B% Q/ W/ b" X( March 目录是平台目录。处理器原厂提供一套 Linux 内核的源码，那么在这个目录下都有一套针对具体处理器 CPU 的子目录。每个 CPU 的子目录，又进一步分解为 boot，mm，kernel 等子目录，分别控制系统引导，内存管理，系统调用，动态调频，主频率设置部分等。
8 ]9 Q5 n( e9 z6 F+ D5 U7 M! O$ H在 arch 目录中有关键的平台文件。任何一款支持 Linux 的处理器，都有一部分内核代码是针对特定的处理器来提供的，具体的实现就是通过平台文件。
, x7 o$ z9 C3 M- \; n; S迅为 iTOP-4412 的平台文件，是 arch→arm→mach-exynos→mach-itop4412.c。
arch→arm→boot 目录，默认编译生成的内核镜像是在这个目录下。
( A) }% G4 x6 e0 j' Y在 arch→arm→kernel 目录中，有针对具体 CPU 处理器的代码，有相关内核特性实现方式，如信号处理等。这一部分当然是芯片厂商做好了，4412 的这部分就是三星已经做好的部分。
  y% _1 B5 |  E" T8 g在 arch→arm→lib 目录中，有一些和硬件相关库函数，后面学习驱动的时候会使用到。
在 arch→arm→tools 目录中，包含了生成镜像的工具。
& L, b- ?0 v0 J, v, S1 s. M
9 \$ c& r1 L, _3 j, o如下图所示。
0 X  J+ A0 L: _3 ~# R' L4 }在 binary 目录中，有一些无源码的驱动以二进制放到该文件夹，例如一些测试版本或者不愿意公布源码，都可以将二进制文件放到这个目录中。
& k6 V$ f0 }2 J) T4 V/ d在 drivers 目录中，就是需要重点学习的部分，后面的实验都是围绕这一步进行的。
4 K# h6 k$ h  K( J在 include 目录中，通用的 Linux 头文件都在该文件下。

" I# g* I6 _7 U, Z1 L如下图所示，部分目录如下。下面的这些目录，几乎不需要去动其中任何一个文件。

$ i# o( D8 i# |7 g, v3 j如下图所示，有内核编程的范例，实现安全性的代码，声卡设备驱动等
还有内核裁减配置工具目录 tools，这一部分实现的功能是将.c 编译成目标文件，连接合并成可运行的内核镜像文件等。提供给大家的内核源码一百多 M，最后编译成的 zImage 只有不到 5M，这都是依靠这个工具来实现的，后面会有针对性的实验来教大家如何使用编译工具。
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