Linux 内核解读入门

http://www.linuxforum.net 喻锋荣 (2001-04-21 18:11:02)

针对好多Linux　爱好者对内核很有兴趣却无从下口，本文旨在介绍一种解读linux内核源码的入门方法，
而不是解说linux复杂的内核机制；
一．核心源程序的文件组织：　
1．Linux核心源程序通常都安装在/usr/src/linux下，而且它有一个非常简单的编号约定：任何偶数的
核心（例如2.0.30）都是一个稳定地发行的核心，而任何奇数的核心（例如2.1.42）都是一个开发中的核心。
本文基于稳定的2.2.5源代码，第二部分的实现平台为　Redhat　Linux　6.0。
2．核心源程序的文件按树形结构进行组织，在源程序树的最上层你会看到这样一些目录：
●Arch　：arch子目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的体系
　　结构，例如i386就是关于intel　cpu及与之相兼容体系结构的子目录。PC机一般都基于此目录；
●Include:　include子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在　include/linux
　　子目录下，与　intel　cpu相关的头文件在include/asm-i386子目录下,而include/scsi目录则是有关
　　scsi设备的头文件目录；
●Init：　这个目录包含核心的初始化代码(注：不是系统的引导代码)，包含两个文件main.c和Version.c，
　　这是研究核心如何工作的一个非常好的起点。
●Mm　：这个目录包括所有独立于　cpu　体系结构的内存管理代码，如页式存储管理内存的分配和释放等；而和
　　体系结构相关的内存管理代码则位于arch/*/mm/，例如arch/i386/mm/Fault.c
●Kernel：主要的核心代码，此目录下的文件实现了大多数linux系统的内核函数，其中最重要的文件当属
　　sched.c；同样，和体系结构相关的代码在arch/*/kernel中；
●Drivers：　放置系统所有的设备驱动程序;每种驱动程序又各占用一个子目录：如，/block　下为块设备
　　驱动程序，比如ide（ide.c）。如果你希望查看所有可能包含文件系统的设备是如何初始化的，你可以看
　　drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不仅初始化硬盘，也初始化网络，因为安装nfs文件
　　系统的时候需要网络
其他:　　如,　Lib放置核心的库代码;　Net,核心与网络相关的代码;　Ipc,这个目录包含核心的进程间通讯的代码;　
　　Fs　,所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码，它的每一个子目录支持一个文件系统，例如fat和ext2;
　　Scripts,　此目录包含用于配置核心的脚本文件等。
　　　一般，在每个目录下，都有一个　.depend　文件和一个　Makefile　文件，这两个文件都是编译时
　　使用的辅助文件，仔细阅读这两个文件对弄清各个文件这间的联系和依托关系很有帮助；而且，在有的目录下
　　还有Readme　文件，它是对该目录下的文件的一些说明，同样有利于我们对内核源码的理解；
　　
二．解读实战：为你的内核增加一个系统调用
虽然，Linux　的内核源码用树形结构组织得非常合理、科学，把功能相关联的文件都放在同一个子目录下，这样使
得程序更具可读性。然而，Linux　的内核源码实在是太大而且非常复杂，即便采用了很合理的文件组织方法，在
不同目录下的文件之间还是有很多的关联，分析核心的一部分代码通常会要查看其它的几个相关的文件，而且可能
这些文件还不在同一个子目录下。
体系的庞大复杂和文件之间关联的错综复杂，可能就是很多人对其望而生畏的主要原因。当然，这种令人生畏的劳动
所带来的回报也是非常令人着迷的：你不仅可以从中学到很多的计算机的底层的知识（如下面将讲到的系统的引导），
体会到整个操作系统体系结构的精妙和在解决某个具体细节问题时，算法的巧妙；而且更重要的是：在源码的分析过
程中，你就会被一点一点地、潜移默化地专业化；甚至，只要分析十分之一的代码后，你就会深刻地体会到，什么样
的代码才是一个专业的程序员写的，什么样的代码是一个业余爱好者写的。
为了使读者能更好的体会到这一特点，下面举了一个具体的内核分析实例，希望能通过这个实例，使读者对　Linux　
的内核的组织有些具体的认识，从中读者也可以学到一些对内核的分析方法。

以下即为分析实例：

【一】操作平台:
硬件：cpu　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　intel　Pentium　II　;
软件：Redhat　Linux　6.0;　　　　　　内核版本2.2.5

【二】相关内核源代码分析:
1．系统的引导和初始化：Linux　系统的引导有好几种方式：常见的有　Lilo,　Loadin引导和Linux的自举引导
　　（bootsect-loader）,而后者所对应源程序为arch/i386/boot/bootsect.S，它为实模式的汇编程序，限于
　　　篇幅在此不做分析；无论是哪种引导方式，最后都要跳转到　　arch/i386/Kernel/setup.S，　setup.S主要是
　　　进行时模式下的初始化，为系统进入保护模式做准备；此后，系统执行　arch/i386/kernel/head.S　(对经压缩
　　　后存放的内核要先执行　arch/i386/boot/compressed/head.S);　head.S　中定义的一段汇编程序setup_idt　，
　　　它负责建立一张256项的　idt　表(Interrupt　Descriptor　Table),此表保存着所有自陷和中断的入口地址;其中
　　　包括系统调用总控程序　system_call　的入口地址;当然，除此之外，head.S还要做一些其他的初始化工作；
2．系统初始化后运行的第一个内核程序asmlinkage　void　__init　start_kernel(void)　定义在
　　　/usr/src/linux/init/main.c中,它通过调用usr/src/linux/arch/i386/kernel/traps.c　　中的一个函数　
　　　void　__init　trap_init(void)　把各自陷和中断服务程序的入口地址设置到　idt　表中,其中系统调用总控程序
　　　　system_cal就是中断服务程序之一;void　__init　trap_init(void)　　　函数则通过调用一个宏　
　　　　set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);　把系统调用总控程序的入口挂在中断0x80上;
其中SYSCALL_VECTOR是定义在　/usr/src/linux/arch/i386/kernel/irq.h中的一个常量0x80;　　而　system_call