一、内核功能、内核发行版
1、到底什么是操作系统
 
(1)linux、windows、android、ucos 就是操作系统;
(2)操作系统本质上是一个程序,由很多个源文件构成,需要编译连接成操作系统程序(vmlinz、zImage);
(3)操作系统的主要作用就是管理计算机硬件,给应用程序提供一个运行环境。
 
2、操作系统核心功能(管理资源)
 
(1)内存管理
 
如果没有操作系统,内存需要程序自己来管理。譬如在 uboot 中要使用哪块内存,由程序自己决定的,没有注册也没有限制。此时如果程序不小心把同一块内存重复使用,就会出现程序逻辑错误。
有了操作系统之后,操作系统负责管控所有的内存。应用程序需要使用内存时,都要向操作系统去申请和注册,由操作系统的内存管理模块来分配内存。这样好处是可以保证内存使用不会冲突。
 
(2)进程调度
 
操作系统下支持多个应用程序同时运行,这是宏观上的并行。实际上在单核心 CPU 上微观上是不能并行的,宏观上的并行就是操作系统提供的分时复用机制。操作系统的进程调度模块负责在各个进程之间进行切换。
 
(3)硬件设备管理
 
没有操作系统时,控制任何硬件都要自己写代码,有了操作系统后操作系统本身会去控制各个硬件,应用程序就不用考虑硬件的具体细节了。
 
操作系统的硬件设备管理模块就是驱动模块。
 
(4)文件系统
 
文件系统是管理存储设备的一种方式。存储设备由很多扇区组成,每个扇区有 512/1024/2048/4096 字节,存储设备以扇区为单位进行读写。如果没有文件系统,程序要自己去读写扇区,就得记得哪个文件在哪个扇区。有了文件系统之后,我们不用再关注某个文件在物理磁盘的哪个扇区,只用关注文件系统中的目录和文件名。
 
3、操作系统扩展功能
 
(1)协议栈
 
(2)有用的应用程序包
 
应用程序本身不属于操作系统内核的一部分。
 
应用程序是给人用的,面向某种功能的,譬如 ping 程序用来测试网络是否联通,ifconfig 程序用来配置网卡。
 
4、内核和发行版的区别
 
(1)内核是操作系统内核的简称。
内核负责实现操作系统的核心功能,内核不包括应用程序。
 
因此只有内核是无法使用的,因为做任何事情都是通过相应的应用程序来完成的。
 
卖操作系统的人把内核和一些常用的应用程序打包在一起提供给普通用户,这就是操作系统的发行版(也就是普通意义上的操作系统)。
 
(2)内核只有一个(www.kernel.org),发行版有很多(集成不同的应用程序,譬如 ubuntu、redhat、suse、centos……)。
 
二、内核和驱动的关联
1、学习 linux 的思路
 
(1)对庞大的整体要有个认识。学习路线就是先建立框架和整体,然后逐渐去学习各个细节部分,逐步细化。
(2)对各分层的作用要清楚。
(3)对层次间的关联和互相调用要理解。
 
2、驱动属于内核的一部分
 
(1)驱动就是内核中的硬件设备管理模块,属于发展非常活跃的部分。
(2)驱动工作在内核态(cpu 在跑操作系统)(与用户态(cpu 在跑应用程序)的区别:权限不同)
(3)驱动程序故障可能导致整个内核崩溃。
(4)驱动程序漏洞会使内核不安全。
 
三、内核和应用程序、根文件系统的关联
1、应用和内核的关系
 
(1)应用程序不属于内核,而是在内核之上的;
(2)应用程序工作在用户态,是受限制的;
(3)应用程序故障不会导致内核崩溃;
(4)应用程序通过内核定义的 API 接口来调用内核工作
(5)总结:应用程序是最终目标,内核就是为应用程序提供底层资源管理的服务员
 
2、内核和根文件系统
 
(1)根文件系统提供根目录;属于内核?NO!
(2)进程 1 存放在根文件系统中,进程 1 会使得内核态变为用户态。
(3)内核启动最后会去装载根文件系统;
(4)总结:根文件系统为操作系统启动提供了很多必备的资源,如根目录、进程 1。
 
四、linux 内核的模块化设计
1、什么是模块化设计
(1)因为 linux 内核很庞大,代码量很大、东西很多,如果设计时完全设计成一体(各个文件、各个函数之间紧耦合),复杂度超出了人所能理解的范围。所以模块化设计是一种必要。
(2)模块化设计就是内核中各个功能模块在代码上是彼此独立的,譬如说调度系统和内存管理系统之间并没有全局变量的互相引用,甚至函数互相调用也很少,就算有也是遵循一个接口规范的。模块化设计的目的就是实现功能模块的松耦合。
 
2、模块化设计的体现
(1)配置时可裁剪。linux 内核在编译之前可以进行配置,配置时可以选择将组成内核的成千上万个模块每一个要或者不要。要了之后还有更多的一些细节的配置。
(2)模块化编译和安装。为了操作方便,从静态的升级逐渐变成了动态的升级(不需要重启系统,更不需要重新烧录系统)。这种动态的升级也是由模块化来支持的。
(3)源码中使用条件编译。这种在 uboot 中已经见过了。
 
3、模块化设计的好处
(1)功能可裁剪、灵活性;
(2)可扩展性(动态安装卸载、新硬件支持);
(3)利于协作;
 
4、模块化设计是一种普遍性的系统设计原则
 
五、选择合适版本的内核
1、linux 内核版本变迁简史
(1)linux0.01。初版
(2)linux0.11。很多讲 linux 内核源代码解析的书都是以这个版本为原本来讲。《图解 linux 内核设计的艺术》
(3)linux2.4。比较接近现代的版本,很多经典的书都是以 2.4 版本内核为参照的,譬如《LDD3》。
linux2.4 的晚期内核在前几年还会经常碰到有用的。
(4)linux2.6 早期。2.6 的早期和 2.4 晚期内核挺像的。
(5)linux2.6 晚期。2.6 的晚期内核较早期内核有一些改变,尤其是驱动相关的部分和一些头文件的位置。2.6 的晚期内核目前还算是比较主流。
(6)linux3.x 4.x
 
2、如何选择合适的内核版本
(1)并不是越新版本的内核越好;
(2)选择 SoC 厂家移植版本会减少工作量。
 
3、S5PV210 适用的内核版本
(1)2.6.35.7 + android2.3/QT4.8.3
(2)3.0.8 + android4.0
 
4、本课程使用 2.6.35.7 版本内核讲解