2.1 Linux核心發展及演變

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

2.2 Linux2.6後的核心特點

1. 新的排程器：高負荷下的出色效能，更好的處理器擴充套件，採用CFS演算法，新增排程類：SCHED_DEADLINE，它實現了EDF(最早截止期限優先)演算法
2. 核心搶佔：提高系統的實時性，增強系統的互動性，但也有不可搶佔的空間：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，即可支援硬實時。
3. 改進執行緒模型：採用NPTL（本地POSIX執行緒庫）模型，操作速度極大提高，更加遵循POSIX規範
4. 虛擬化記憶體變化：融合了r-map（反向對映，通過頁結構快速找到頁面的對映）技術，改善虛擬記憶體在一定大小負載下的效能
5. 檔案系統：新增基於B樹的Btrfs，是下一代的Linux檔案系統
6. 音訊：高階Linux音訊體系結構ALSA取代缺陷很多的OSS，支援USB音訊和MIDI裝置，並支援雙工重放等功能
7. Linux3.7以後實現一個Linux可以適用於所有的arm系統

2.3 Linux核心組成

2.3.1 Linux核心程式碼的目錄結構

• arch：和硬體體系結構相關的程式碼，每個平臺每個目錄
• block：塊裝置驅動的I/O排程
• crypto：常用加密和雜湊演算法，還有一些壓縮以及CRC校驗演算法
• documentation：核心各部分的通用解釋和註釋
• fs：支援的各種檔案系統
• include：核心API級別的標頭檔案，與系統相關的標頭檔案放在include/linux子目錄下
• init：核心程式碼的初始化程式碼
• ipc：程序間通訊程式碼
• lib：庫檔案程式碼
• mm：記憶體管理程式碼
• script：配置核心的指令碼檔案
• usr：用於打包和壓縮的cpio等

2.3.2 核心組成部分

• 程序排程：多數程序是由使用者空間建立，通過系統呼叫進入核心空間，核心程式設計是可以啟動核心執行緒來處理併發任務，這些執行緒沒有使用者空間
• 記憶體管理：控制多個程序安全的共享記憶體區域，通過MMU完成程序從虛擬空間向物理空間的轉換
• 虛擬檔案系統：隱藏各個硬體的具體細節，為所有的裝置提供了統一的介面，是檔案系統的抽象
• 網路介面：對各種網路標標準的存取和各種網路硬體的支援，分為網路協議和網路驅動程式
• 程序間通訊：訊號量、共享記憶體、訊息佇列、管道以及Unix域套接字等

2.3.3 核心空間和使用者空間

• 核心可以進行任何操作，但應用程式被禁止對硬體的直接訪問和對記憶體的未授權訪問
• 這兩個名詞用來區分程式執行的兩種不同的狀態，他們使用不同的地址空間，使用者空間可以通過系統呼叫和硬體中斷來訪問核心空間

2.4 核心的編譯及載入

2.4.1 Linux核心配置系統組成

• Makefile：分佈於核心原始碼
• 配置檔案（Kconfig）：給使用者提供配置選項
• 配置工具：命令解析器和配置使用者介面，都是指令碼語言
• 通過make config、make menuconfig生成.config檔案記錄哪部分被編入核心，哪部分被編譯成模組
• source可以引入每一層的Kconfig

2.4.2 Kconfig和Makefile

2.4.2.1linux增加程式需要完成以下3項工作

• 將編寫的原始碼複製到Linux核心原始碼相應得目錄中
• 在目錄的Kconfig檔案中增加關於原始碼相應的編譯配置選項
• 在目錄的Makefile檔案中增加對新原始碼的編譯條目

2.4.1.2Makefile語法規則

• 目標定義：用來定義哪些內容要作為模組編譯，哪些要編譯並連結進核心，如：obj-y/m/n += foo.o，obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
• 多檔案模組的定義：如下，模組名為ext2，有balloc.o、dir.o等目標檔案最終連結生成ext2.o直至ext2.ko檔案，是否包含xattr.o、acl.o等檔案取決於核心配置檔案的配置情況。

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

大多數核心配置選項對應的Kconfig中的一個配置選項，”config” 關鍵字定義新的配置選項，之後的幾行程式碼定義了誒配置選項的屬性。配置選項的屬性包含：型別，資料提示，依賴關係，選擇關係以及幫助資訊、預設值等

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型別，包括bool，tristate, string, hex 和int，其中tristate和string是基本的型別，其他型別都是基於這兩種型別，型別定以後可以緊跟輸入提示，下面兩段指令碼是等價的

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係。

prompt <prompt> [if <expr>]

預設值的格式為以下形式，如果使用者不設定對應的選項則配置選項的值就是預設值

default <expr> [if <expr>]

• 依賴關係的格式為以下形式，多重依賴中間要用“&&”間隔

depends on (或者requires) <expr>

依賴關係也可以用在選單中的其他選項，如下兩段指令碼是等價的

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

• 選擇關係的格式如下，如果A選擇了B，那麼A選中的情況下自動選中B

select <symbol> [if <expr>]

• 資料範圍格式如下

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，一類由選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

表示式“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型別的選項設定可以接受的輸入值範圍，使用者只能輸入大於等於第一個symbol，且小於等於第二個symbol的值
• 幫助資訊的格式為

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

選單結構

配置選項在選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”的子選單，而且，所有的子選單（config）選項都會繼承父選單（menu）的依賴關係，比如，“Network device support”對“NET”的依賴會被載入到配置選項NETDEVICES的依賴列表中。
注意：menu後面跟的“Network device support”項僅僅是一個選單，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：
同過分析依賴關係生成選單結構。如選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選單。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輸出解析度可以是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*[email protected]"
    ---help---
    TBA
config FB_S3C_VGA_640_480
    bool "640*[email protected]"
    ---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裝置驅動開發詳解》第三版 P72-73

2.4.3 Linux核心的引導

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，喚醒後和CPU0都投入執行
4. CPU0導致使用者空間的init程式被呼叫，init派生出其他程序，其他程序在派生出其他程序
5. zimage：是由未壓縮的解壓演算法和壓縮的核心組成，bootloader負責解壓