《嵌入式Linux基础教程学习笔记一》

约定不等于承诺〃 2022-03-31 07:10 327阅读 0赞

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第二章

# 1、**进程上下文和中断上下文**（Page20） #

当应用程序执行系统调用，造成上下文的切换而进入内核时，内核会代表这个进程执行内核代码。你会经常听到，这种情况称为内核运行于进程上下文中。相反，处理IDE驱动器的中断处理程序（ISR）也是内核代码，但运行时并不代表任何特定的进程。这种情况通常被称为内核运行于中断上下文中。

# **2、独立处理器、配套芯片组和集成处理器 （Page26）** #

独立处理器是指那些专注于指令处理功能的处理器。与集成处理器相比，独立处理器需要额外的支持电路完成其基本操作。在大多数情况下，这意味着处理器周围需要配备一个芯片组或者一个定制的逻辑芯片，已实现一些增强功能，包括DRAM控制器、系统总线寻址配置以及外围设备（比如键盘控制器和串行端口）。独立处理器一般会提供最强的整体CPU性能。

单独处理器都需要连接支撑逻辑芯片才能访问外设，这些外设包括系统主内存（DRAM）、ROM或者闪存、系统总线（比如PCI）或者其他外设，比如键盘控制器、串行端口和IDE接口，诸如此类。执行逻辑芯片的的功能一般由配套的芯片组来完成，而这个芯片组很可能是专门为某个系列的处理器设计的。

虽然独立处理器的应用很广泛，包括一些高负载处理引擎，但是大多数的小型嵌入式系统都采用某种集成处理器或者片上系统（System On Chip，SOC）。

参考阅读：

[http://pan.baidu.com/s/1eQGbs5c][http_pan.baidu.com_s_1eQGbs5c]

[http://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/3690410.html][http_www.cnblogs.com_pengdonglin137_p_3690410.html]

# **3、查询本机的内核的发布信息** #

cat /proc/version

# **4、顶层源码目录** #

在本书中，会常常提到顶层源码目录。这时，我们指的是内核源码树的最高一层目录。顶层源码目录包含以下列出的子目录：

arch/ block/ crypto/ Documentation/   
 drivers/ firmware/ fs/ include/   
 init/ ipc/ kernel/ lib/   
 mm/ net/ samples/ scripts/   
 security/ sound/ usr/ virt/

# **5、编译内核是显示详细编译过程** #

如： make ARCH=arm CROSS\_COMPILE=arm-linux- **V=1**uImage

1: make V=0|1 [targets] 0 => quiet build (default), 1 => verbose build

2: make V=2   [targets] 2 => give reason for rebuild of target

3: make O=dir [targets] Locate all output files in "dir", including .config

4: make C=1   [targets] Check all c source with $CHECK (sparse by default)

5: make C=2   [targets] Force check of all c source with $CHECK

# **6、清理** #

有几个make命令会删除配置文件而不会给出任何警告。最常见的就是make distclean（此外还有make mrproper）。这个make目标的设计初衷是上内核代码树回到原始的、未配置的状态。这包括删除源码树中所有的配置数据，当然也会删除原先的.config文件。

1: Cleaning targets:

2:   clean          - Remove most generated files but keep the config and

3:                     enough build support to build external modules

4:   mrproper      - Remove all generated files + config + various backup files

5:   distclean      - mrproper + remove editor backup and patch files

# 7、bzImage和zImage (Page61) #

很多架构和机器类型都需要一个二进制镜像目标，而这个目标与具体使用的架构和引导加载程序有关。比较常见的这类目标是zImage。对于很多架构来说，这就是默认的二进制镜像目标，可以被加载到目标嵌入式系统中并运行。新手常犯的一个错误就是将bzImage指定为make的目标。然而，bzImage目标是针对x86/PC架构的。有一个常见的错误观点，认为bzImage是指经过压缩工具bzip2压缩过的镜像，其实不然，bzImage是指大(big)的zImage。

# 8、make menuconfig #

在顶层目录执行make menuconfig ，然后再顶层Makefile中的：

459 %config: scripts_basic outputmakefile FORCE

460         $(Q)mkdir -p include/linux include/config

461         $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@

%config可以匹配\*config，然后进入script/kconfig中执行 make menuconfig，

7 ifdef KBUILD_KCONFIG

8 Kconfig := $(KBUILD_KCONFIG)

9 else

0 Kconfig := arch/$(SRCARCH)/Kconfig

1 endif

3 xconfig: $(obj)/qconf

4         $< $(Kconfig)

6 gconfig: $(obj)/gconf

7         $< $(Kconfig)

9 menuconfig: $(obj)/mconf

0         $< $(Kconfig)

2 config: $(obj)/conf

3         $< $(Kconfig)

5 oldconfig: $(obj)/conf

6         $< -o $(Kconfig)

其中Kconfig是arch/arm/Kconfig，对于menuconfig，配置工具是mconf，他可以解析Kconfig文件。

# 9、嵌入式Linux发行版所包含的的组件 （Page73） #

**Linux内核**；

**引导加载程序**，你需要将它移植到特定的硬件平台上，并做相应的配置；

适合于你所选架构的**交叉编译器**和相关的**工具链**；

**文件系统**，其中包含很多软件包——主要是二进制可执行文件和程序库，而且他们是针对本地硬件架构和处理器而编译的；

**设备驱动程序**，内核通过它们访问硬件板卡上的定制硬件；

**开发环境**，包括主机上的工具和软件；

**Linux内核源码树**，并且适合于特定的处理器和硬件板卡；

# 10、单体内核 #

Linux采用单体(monolithic)内核结构。也就是说，这个内核是由代码编译并静态链接生成的，是一个单一的可执行文件。然而，也可以编译一组源码文件，并通过增量链接的方式生成一个对象模块，他可以动态加载到运行的内核中。

内核的构建过程，不管采用哪种架构，构建时都会生成一些通用文件，其中之一就是名为vmlinux的ELF二进制文件（处于顶层内核源码目录中）。这个二进制文件就是单体内核（monolithic kernel）本身，我们也称它为内核主体。

下面是tq2440在生成内核源码顶层目录下的vmlinux时的链接命令：

arm-linux-ld -EL  -p --no-undefined -X --build-id -o vmlinux  \

-T arch/arm/kernel/vmlinux.lds                                \

arch/arm/kernel/head.o                                        \

arch/arm/kernel/init_task.o                                   \

init/built-in.o                                               \

--start-group                                                 \

usr/built-in.o                                                \

arch/arm/kernel/built-in.o                                    \

arch/arm/mm/built-in.o                                        \

arch/arm/common/built-in.o                                    \

arch/arm/mach-s3c2410/built-in.o                              \

arch/arm/mach-s3c2400/built-in.o                              \

arch/arm/mach-s3c2412/built-in.o                              \

arch/arm/mach-s3c2440/built-in.o                              \

arch/arm/mach-s3c2442/built-in.o                              \

arch/arm/mach-s3c2443/built-in.o                              \

arch/arm/plat-s3c24xx/built-in.o                              \

arch/arm/plat-s3c/built-in.o                                  \

arch/arm/nwfpe/built-in.o                                     \

kernel/built-in.o                                             \

mm/built-in.o                                                 \

fs/built-in.o                                                 \

ipc/built-in.o                                                \

security/built-in.o                                           \

crypto/built-in.o                                             \

block/built-in.o                                              \

arch/arm/lib/lib.a                                            \

lib/lib.a                                                     \

arch/arm/lib/built-in.o                                       \

lib/built-in.o                                                \

drivers/built-in.o                                            \

sound/built-in.o                                              \

firmware/built-in.o                                           \

net/built-in.o                                                \

--end-group .tmp_kallsyms2.o

# 11、内核是如何合成的？ （具体需要参见第五章的第一节P75） #

[![image][]][image 1]

以arm为例，其中vmlinusx 在内核源码顶层目录，Image在arch/arm/boot/下，piggy.gz在arch/arm/boot/compressed/下，bootable kernel image在arch/arm/boot/下。

这里主要说明如下俩个概念的不同：启动加载程序(Bootstrap Loader)和引导加载程序（Bootloader）

引导加载程序简单理解为uboot或者Bootloader或者第1阶段的加载程序，可以将启动加载程序看做是第2阶段的加载程序（简单理解为：zImage头部的几个文件，负责初始化设置一些硬件以及解压内核镜像的部分）。

不要将启动加载程序和引导加载程序混淆，很多架构都使用启动加载程序（第2阶段加载程序）将Linux内核镜像加载到内存中。有些启动加载程序会对内核镜像进行校验和检查，而大多数启动加载程序会解压并重新部署内核镜像。引导加载程序和启动加载程序之间的区别也很简单：但硬件单板加电时，引导加载程序获得其控制权，根本不依赖内核。相反，启动加载程序的主要作用是作为裸机引导加载程序和Linux内核之间的粘合剂。启动加载程序负责提供合适的上下文让内核运行于其中，并且执行必要的步骤以解压和重新部署内核二进制镜像。[这类似于PC架构中的主加载程序和次加载程序的概念。][PC]

启动加载程序和内核镜像拼接在一起，用于加载。

（具体参见：Page79）

[![image][image 2]][image_image 2]

# 12、查看内核初始化细节 （page96） #

initcall\_debug是一个很有趣的内核命令行参数，它允许你观察启动过程中的函数调用。只需在启动内核是设置一下initcall\_debug，就可以看到系统输出相关的诊断信息：

下面initcall最后的return x after XX usecs 表示函数的返回值以及函数调用的持续时间。

calling  spi_init+0x0/0x84 @ 1

initcall spi_init+0x0/0x84 returned 0 after 2936 usecs

calling  i2c_init+0x0/0x60 @ 1

initcall i2c_init+0x0/0x60 returned 0 after 4214 usecs

calling  customize_machine+0x0/0x24 @ 1

initcall customize_machine+0x0/0x24 returned 0 after 22922 usecs

这是个查看内核初始化细节的好办法，特别是可以了解内核调用各个子系统和模块的顺序。更有趣的是函数调用的持续时间。如果你关心系统启动时间，通过这种方法可以确定启动时间是在哪些地方被消耗的。

# 13、根文件系统 #

根文件系统指的是挂在于文件系统层次结构根部的文件系统，简单表示为/。

简单来说，根文件系统是内核挂载的第一个文件系统，挂载位置是文件系统层次结构的顶端。

Linux系统对于根文件系统有一些特殊需求。Linux要求根文件系统中包含应用程序和工具软件，通过它们来引导系统、初始化系统服务（比如网络和系统控制台）、加载设备驱动程序和挂在额外的文件系统。

# 14、根文件系统中的glibc和Linux动态加载器 #

在嵌入式系统的根文件系统中一般都会有这两个动态库：glibc（如libc-XXX.so）和Linux动态加载器（如ld-XXX.so）。其中glibc包含标准C程序库的函数，比如printf()和很多其他大多数的应用程序都依赖的常用函数。

Linux动态加载器负责将二进制程序加载到内存中，并且，如果应用程序引用了共享库中的函数，它还需要执行动态链接。

# 15、定制用户空间初始化程序 #

在init/main.c中：

if (execute_command) {

run_init_process(execute_command);

printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "

"defaults...\n", execute_command);

}

run_init_process("/sbin/init");

run_init_process("/etc/init");

run_init_process("/bin/init");

run_init_process("/bin/sh");

panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");

在上面的语句中，如果execute\_command非空，它会指向一个运行在用户空间的字符串，而这个字符串中包含了一个定制的、由用户提供的命令。开发人员在内核命令行中指定这个命令，并且他会由我们前面所研究的\_\_setup宏进行设置。

在init/main.c中：

static int __init init_setup(char *str)

{

unsigned int i;

execute_command = str;

* In case LILO is going to boot us with default command line,

* it prepends "auto" before the whole cmdline which makes

* the shell think it should execute a script with such name.

* So we ignore all arguments entered _before_ init=... [MJ]

for (i = 1; i < MAX_INIT_ARGS; i++)

argv_init[i] = NULL;

return 1;

}

__setup("init=", init_setup);

在include/linux/init.h中：

#define __setup_param(str, unique_id, fn, early)            \

static char __setup_str_##unique_id[] __initdata __aligned(1) = str; \

static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id    \

__used __section(.init.setup)            \

__attribute__((aligned((sizeof(long)))))    \

= { __setup_str_##unique_id, fn, early }

#define __setup(str, fn)                    \

__setup_param(str, fn, fn, 0)

下面是一个内核命令行的例子：

initcall\_debug init=/sbin/myinit console=ttyS1,115200 root=/dev/hda1

含义：

内核显示所有的初始化函数调用，配置初始的控制台设备/dev/ttyS1，其数据速率为115Kbit/s，并执行一个定制的、名为myinit的用户空间初始化进程，这个程序位于根文件系统的/sbin目录中。它还指导内核从设备/dev/hda1挂载器根文件系统，这个设备是第一个IDE硬盘。

注意一下，一般来说，内核命令行中各个参数的先后次序无关紧要。

# 16、应用程序依赖关系 #

大多数应用程序有两类依赖关系：

1、动态链接的应用程序对程序库的依赖，这种应用程序中包含未解决的引用，这需要由程序库提供；

2、应用程序可能需要的外部配置文件或者数据文件

对于前者，可以使用工具来确定，这里介绍两种方法（XXX代表可执行程序）：

1、ldd xxx

2、objdump –x xxx | grep NEEDED

对于后者，至少要对相关的应用程序有个基本了解。

# 17、rmmod 和 modprobe –r  #

如：modprobe –r ext3 可以用于删除模块，包括某个模块所依赖的模块，而rmmod不会删除一个模块所依赖的模块。

# 18、 /proc 、sysfs以及tmpfs #

他们俩个都是伪文件系统(Pseudo File Systems)。

/proc 文件系统的名称源于他的最初设计目的：它是一个接口，内核通过它可以获取一个Linux系统上所有进程的信息。随着时间的推移，它也不断发展壮大，可以提供更多方面的信息，而不仅限于进程。很多用户空间的应用程序都依靠/proc文件系统中的内容来完成它的工作。例如mount命令，如果在执行时不带任何参数，会列出系统中当前所有已挂载文件系统的信息，而它是从/proc/mounts文件中获取这些信息的。如果不存在/proc文件系统，mount命令直接返回。除了mount之外，其他一些与/proc文件系统交互的实用程序还有free、pkill、pmap以及uptime。请参考procfs软件包获取更多信息。

挂载/proc文件系统： mount –t proc /proc /proc 或者 mount –t proc none /proc

sysfs是对具体的内核对象（比如物理设备）进行建模，并且提供一种将设备和设备驱动程序关联起来的方法。从sysfs中可以获取很多系统信息，很多实用工具都使用了这些信息，比如电源管理和热插拔能力，还有mtd-utils中的很多与Flash操作相关的工具。

tmpfs中的所有内容都是存储在内核的虚拟内存中的，断电或者重启后，这些内容都丢失了。tmpfs文件系统对于快速临时文件存储很有用。对于那些会使用很多小的临时文件的应用程序来说，这可以提高它们的性能。

挂载tmpfs文件系统： mount –t tmpfs /tmpfs /tmp 或者 mount –t tmpfs none /tmp

嵌入式系统中自动挂载这三种文件系统一般在/etc/fstab中设置：

1:  # cat /etc/fstab

2:  proc            /proc           proc    defaults        0       0

3:  sysfs           /sys            sysfs   defaults        0       0

4:  tmpfs           /dev            tmpfs   defaults        0       0

5:  tmpfs           /tmp            tmpfs   defaults,size=120M      0       0

6:  tmpfs           /var/run            tmpfs       defaults        0       0

# 19、MTD概述 #

内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）子系统的目的是让内核支持种类繁多的类似内存的设备，比如闪存芯片。市面上有很多不同种类的闪存芯片，对它们进行编程的方法也多种多样，主要原因是它们要支持很多特殊和高效的模式。MTD子系统采用了层次化架构，将底层设备的复杂性和（使用这些内存和闪存设备的）高层的数据组织及存储格式分隔开。

简单来说，MTD是一个设备驱动程序层，它提供了一套访问原始闪存设备的通用API接口。MTD支持很多种闪存设备。然而，MTD不是块设备。MTD与设备打交道时是以擦除块（erase block）为单位的，其大小不一，而块设备是以固定大小的块（称为扇区）位操作单位的。块设备有两种主要操作——读取扇区和写入扇区，而MTD有3种：读、写和擦除。MTD设备的写寿命是有限的，所以MTD会包含内部逻辑将写操作分布开来已延长设备的寿命，这被称为损耗均衡（wear leveling）。

与通常的想法相反，SD/MMC卡、CompactFlash卡、USB闪存盘以及其他一些类似的设备都不属于MTD设备。这些设备的内部都包含了闪存转换层，用于完成类似MTD的功能，比如块擦除和损耗均衡。因此，对于系统来说，它们看上去就像是传统的块设备，不需要经过MTD的特殊处理。

Linux中的大多数设备属于字符设备或者块设备中一种。而MTD既不是字符设备，也不是块设备。虽然一些转换机制可以使MTD看起来像字符设备或块设备，但是在Linux驱动架构中,MTD有其独特之处。这是因为MTD驱动程序必须完成一些闪存特有的操作，比如块擦除操作和损耗均衡，而传统的块设备驱动程序是没有类似操作的。

# 20、软实时和硬实时 #

**软实时**

大多数人都同意软实时意味着操作有时间限制。如果超过了时间限制后操作还没有完成的话，体验的质量就会下降，但不会带来致命后果。桌面工作站就是一个需要软实时的绝好的例子。编辑文档时，你期望按键之后立刻在屏幕上看到结果。在播放mp3文件时，你期望听到没有任何杂音、爆音或者中断的高品质音乐。

一般而言，普通人无法分辨出小于几十毫秒的延时。当然音乐家能够听出比这更短的延时，并且告诉你它们影响了音乐的质量。如果这些所谓的软实时事件错过了时限，结果可能不尽如人意，并导致体验的质量有所下降，但这并不是灾难性的。

**硬实时**

硬实时的特点是错过时限会造成严重结果。在一个硬实时系统中，如果错过了时限，后果往往是灾难性的。当然，“灾难”是相对而言的。但如果你的嵌入式设备正在控制喷气式飞机引擎的燃料流，而它没能及时的响应飞行员输入的命令或者操作特性的变化，致命后果就不可避免了。

注意，时限的持续时间并不是硬实时的特征。原子钟中处理每个嘀嗒的服务程序就是这样的例子。只要在下一个嘀嗒到来之前的持续1秒的时间窗口内处理完成，数据就依然有效。但如果错过了某个嘀嗒，全球定位系统就可能会产生几英尺或甚至几英里的误差！

考虑到这一点，我们借鉴了一组常用的软实时和硬实时的定义。对于软实时系统，如果错过的了时限，系统的计算值或者结果会不太理想。然而，对于硬实时系统，如果错过了某个时限，系统就是失败的，而且可能会造成灾难性的后果。

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