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
  `9 |, [) e% R" z1.1 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。
: w! Z: U: X3 V2 q1 U4 k/ F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。
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”？
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。
1.1.1 工具
1.1.1.1 硬件工具
PC 机一台
1.1.1.2 软件工具
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）
8 |  m/ v9 C. m3 o+ {1.1.2 预备课程
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”
使用手册“3.5 Source Insight 的安装和使用”
* r. P. O2 C0 I0 L/ d; i. c1.1.3 视频资源
本节配套视频为“视频 01_内核开发基础”
, p2 j+ h, U$ Z: p0 m. I1 K/ ^, Y1.2 学习目标
4 D0 N, o+ t) u: [' b! N& U$ r; D本章需要学习以下内容：
+ c  c0 @* X# X' V8 z# W4 G4 {理解 Linux 体系结构
了解 Linux 内核结构
1 z# c% [8 ^6 i8 l8 `) d" f1 H了解 Linux 内核源码目录结构
了解学习 Linux 的大方向→驱动
1.3 Linux 体系结构
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？
# {6 }- |  [" s3 f* ?1 E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。
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。
( N% K$ H  Q& y5 t6 o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。
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
+ D! E# u6 m! _4 i9 x% S" }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。
9 `+ g/ \) B. }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。
2 u( W; T0 m0 g: e! D4 a1.4 Linux 内核结构
6 A- i5 r  i  \+ C% ~, G这一节，分析一下内核结构。
如下图所示，是 Linux 内核结构图。
5 j/ r5 u. T3 ^4 `& ]
SCI 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。
PM（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。
MM（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。
VFS（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。

0 p3 e1 O5 R. zDevice 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。
# |/ o$ \2 H- T2 Y5 nLinux 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。
# I. `; v! m  Y" ^- \! ]8 Y. w网络协议栈，Linux 内核中提供了丰富的网络协议实现。
4 M7 l: D  U) t5 d/ A1.5 Linux 内核源码目录结构
Linux 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。
+ u% Y; F' |' U使用 Source Insight 打开源码，如下图所示，可以看到源码是树形结构。

下面来介绍每一个目录的作用。
arch 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。
7 N9 r$ \5 n0 a2 w" H* u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。
迅为 iTOP-4412 的平台文件，是 arch→arm→mach-exynos→mach-itop4412.c。
! i5 u% i! [! ~0 A9 Aarch→arm→boot 目录，默认编译生成的内核镜像是在这个目录下。
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。
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。
1 J) |2 o  i; l/ [  J在 arch→arm→tools 目录中，包含了生成镜像的工具。
+ q" L. h  x+ Y: }
8 b9 ]' W; R: E8 W$ h! m. P- G如下图所示。
' |* f- b7 X& c3 @! G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。
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。
& B+ Y* m) Q4 l# m7 B在 include 目录中，通用的 Linux 头文件都在该文件下。

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。

- U2 l( A, a7 u/ D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
+ A9 T" q, N' k- S! d0 h; [9 K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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