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linux内核编程_linux内核是什么

全栈程序员站长

发布于 2022-11-08 02:04:21

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代码可运行

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代码可运行

什么是操作系统？

指在系统中负责完成最基本功能和系统管理的部分，

操作系统有哪些组成部分？

内核——操作系统的内在核心
设备驱动程序
启动引导程序
命令行shell
其他种类的用户界面—-操作系统的外在表象
基本的文件管理工具和系统工具

Linux内核的组成

Linux内核源代码目录结构是什么，各目录有什么含义？

arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如i386、ARM、PowerPC、MIPS等。
block：块设备驱动程序I/O 调度。
crypto：常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法。
Documentation：内核各部分的通用解释和注释。
drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如char、block、net、mtd、i2c等。
fs：支持的各种文件系统，如EXT、FAT、NTFS、JFFS2 等。
include：头文件，与系统相关的头文件被放置在include/linux 子目录下。
init：内核初始化代码。
ipc：进程间通信的代码。
kernel：内核的最核心部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下。
lib：库文件代码。
mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。
net：网络相关代码，实现了各种常见的网络协议。
scripts：包含用于配置内核的脚本文件。
security：主要包含SELinux 模块。
sound：ALSA、OSS音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
usr：实现了用于打包和压缩的cpio等。

Linux内核的有哪些组成部分？

进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）

Linux内核的的组成部分之间有什么关系？

进程调度与内存管理之间互相依赖。在多道程序环境下，必须为程序创建进程，而创建进程的第一件事情就是将程序和数据装入内存。
进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间，还可以存取共同的内存区域。
虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统（NFS），也利用内存管理支持RAMDISK 设备。
内存管理利用虚拟文件系统支持交换，依赖于进程调度完成交换进程（swapd）定期由调度程序调度。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

进程调度有什么作用？

调度控制系统中的多个进程对CPU 的访问，使得多个进程能在CPU 中微观串行，宏观并行地执行。

进程调度为什么很重要？

进程调度处于系统的中心位置，内核中其他的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程

进程如何在几个状态间切换？

在设备驱动编程中，当请求的资源不能得到满足时会怎样？

驱动一般会调度其他进程执行，其对应的进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。

设备驱动中，如果需要几个并发执行的任务要怎么做？

调用函数int kernel_thread(int (*fn)(void *), void * arg, unsigned long flags);启动内核线程。

内存管理的主要作用是什么？

控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux 内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到物理内存的转换。

进程的地址空间时怎样划分的？

Linux 的每个进程享有4GB的内存空间，0～3GB属于用户空间，3～4GB属于内核空间

虚拟文件系统有什么作用？

Linux 虚拟文件系统（VFS）隐藏各种了硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象

虚拟文件系统如何描述文件相关信息？

使用超级块super block存放文件系统相关信息，使用索引节点inode存放文件的物理信息，使用目录项dentry存放文件的逻辑信息。

网络接口有什么作用？

提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。

网络接口包括那两个部分？

网络协议和网络设备驱动程序

网络协议有什么作用？

负责实现每一种可能的网络传输协议

网络设备驱动程序有什么作用？

负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

进程通信有什么作用？

协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递

有哪些进程通信机制？

信号量、共享内存、管道、消息队列、Socket通信、Binder通信

ARM处理器有几种工作模式？

用户模式（usr）：大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。
快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。
外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。
管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。
数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。
未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

为什么要划分内核空间和用户空间？

内核可进行任何操作，而应用程序则被禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访问。划分内核空间和用户空间用来区分程序执行的这两种不同状态，它们使用不同的地址空间。

如何实现从用户空间到内核空间的控制转移？

只能通过系统调用和硬件中断完成

Linux内核的编译及加载

内核的配置系统由哪既部分组成？

Makefile：分布在Linux 内核源代码中的Makefile，定义Linux 内核的编译规则。
配置文件（Kconfig）：给用户提供配置选择的功能。
配置工具：包括配置命令解释器（对配置脚本中使用的配置命令进行解释）和配置用户界面（提供字符界面和图形界面）。这些配置工具都是使用脚本语言编写的，如Tcl/TK、Perl等。

使用make config、make menuconfig等命令后生成一个.config配置文件，有什么作用？

记录哪些部分被编译入内核、哪些部分被编译为内核模块。

在Linux 内核中增加程序需要完成哪些工作？

将编写的源代码复制到Linux 内核源代码的相应目录。
在目录的Kconfig文件中增加新源代码对应项目的编译配置选项。
在目录的 Makefile文件中增加对新源代码的编译条目。

为S3C2410 的LED 编写了驱动，源代码为s3c2410-led.c，为使内核能支持对该模块的编译配置，需要完成哪些工作？

将编写的s3c2410-led.c源代码复制到linux-2.6.15.5\drivers\char 目录。
在目录的Kconfig文件中增加LED 的编译配置选项，如下所示：

config S3C2410_LED
bool "S3C2410 LED Driver"
depends on ARCH_S3C2410
help
LED driver for the Samsung S3C2410.

在目录的 Makefile文件中增加对s3c2410-led.c源代码的编译，obj-$(CONFIG_S3C2410_LED) += s3c2410-led.o

kbuild Makefile的语法中目标定义有什么作用？

目标定义，用来定义哪些内容要作为模块编译，哪些要编译并连接进内核

kbuild Makefile的语法中如何进行目标定义？

例如：obj-y += foo.o
根据.config 文件的CONFIG_变量来决定文件的编译方式，如下所示：

 obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
 obj-$(CONFIG_ISDN_PPP_BSDCOMP) += isdn_bsdcomp.o

什么是多文件模块的定义？

如果一个模块由多个文件组成，这时候应采用模块名加-objs后缀或者-y后缀的形式来定义模块的组成文件。

如何进行多文件模块的定义？

///1---如-y形式
obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y := balloc.o bitmap.o
ext2-$(CONFIG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o

///2---如-objs的形式：
obj-$(CONFIG_ISDN) += isdn.o
isdn-objs := isdn_net_lib.o isdn_v110.o isdn_common.o

什么是目录层次的迭代？

形如obj-$(CONFIG_EXT2_FS) += ext2/的定义，如果CONFIG_EXT2_FS值为y或m时，kbuild将会把ext2 目录列入向下迭代的目标中，具体ext2 目录下的文件是要作为模块编译还是链入内核由ext2 目录下的Makefile文件的内容决定。

内核配置脚本文件Kconfig的语法中“config”关键字有什么作用？

“config”关键字定义新的配置选项，之后的几行定义了该配置选项的属性。

配置选项的属性有哪些？

类型、数据范围、输入提示、依赖关系（及反向依赖关系）、帮助信息和默认值等

配置选项的类型有哪些？

配置选项都必须指定类型，类型包括bool、tristate、string、hex 和int。

如何指定配置选项的类型？

///方法1---：
bool "Networking support"
///方法2----：
bool
prompt "Networking support"

如何定义数据范围？

range <symbol> <symbol> [if <expr>]

数据范围symbol的值如何指定？

symbol 分为两类，一类是由菜单入口定义配置选项定义的非常数symbol，另一类是作为expr 组成部分的常数symbol。为int 和hex 类型的选项设可以接受的输入值范围，用户只能输入大于等于第一个symbol，小于等于第二个symbol 的值。

如何定义输入提示？ prompt <prompt> [if <expr>]

如何定义依赖关系？

///方法1---
bool "foo" if BAR
default y if BAR
///方法2---
depends on BAR
bool "foo"
default y

depends 能限定一个symbol 的上限，即如果A依赖于B，B的配置如何影响A？

在B被配置为“Y”的情况下，A可以为“Y”、“M”和“N”；在B被配置为“M”的情况下，A可以被配置为“M”或“N”；B在被配置为“N”的情况下，A只能为“N”。

如何定义反向依赖关系？

select <symbol> [if <expr>]

select能限定一个symbol的下限，若A反向依赖于B，B的配置如何影响A？

A的配置值会高于或等于B（正好与depends 相反）。如果symbol 反向依赖于多个对象，则它的下限是这些对象的最大值。

如何定义多个依赖关系？

多个依赖关系之间用“&&”间隔，

如何定义expr（表达式）？

 <expr> ::= <symbol>
            <symbol> '=' <symbol>
            <symbol> '!=' <symbol>
            '(' <expr> ')''!' <expr>
             <expr> '&&' <expr>
             <expr> '||' <expr>

如何定义帮助信息？

help（或---help---）
开始
…
结束

如何定义配置选项的默认值?

default <expr> [if <expr>]

配置选项的默认值有什么作用？

如果用户不设置对应的选项，配置选项的值就是默认值。

任意多个默认值情况下，如何确定哪个配置选项的默认值是有效的？

存在任意多个默认值情况下，只有第一个被定义的值是可用的。

在菜单树结构中如何确定菜单入口的位置？

所有处于“menu”和“endmenu”之间的菜单入口都会成为“Network device support”的子菜单。而且，所有子菜单选项都会继承父菜单的依赖关系，比如，“Network device support”对“NET”的依赖被加到了配置选项NETDEVICES的依赖列表中。
如果菜单选项在一定程度上依赖于前面的选项，它就能成为该选项的子菜单。如果父选项为“N”，则子选项不可见；如果父选项为“Y”或“M”，则子选项可见。MODVERSIONS直接依赖MODULES，如果MODULES不为“N”，该选项才可见。

///方法1---
menu "Network device support"
      depends on NET
      config NETDEVICES
…
endmenu

///方法2---
config MODULES
bool "Enable loadable module support"
config MODVERSIONS
bool "Set version information on all module symbols"
depends on MODULES
comment "module support disabled"
depends on !MODULES

在X86 PC上从上电/复位到运行Linux 用户空间，进入与Linux 相关代码之前，会经历哪些阶段？

当系统上电或复位时，CPU会将PC指针赋值为一个特定的地址0xFFFF0，并执行该地址处的指令。在PC 中，该地址位于BIOS 中，它保存在主板上的ROM 或Flash中。
BIOS运行时按照CMOS的设置定义的启动设备顺序来搜索处于活动状态，并且可以引导的设备。若从硬盘启动，BIOS会将硬盘MBR（主引导记录）中的内容加载到RAM。MBR 是一个512 字节大小的扇区，位于磁盘上的第一个扇区中（0 道0柱面1 扇区）。当MBR被加载到RAM 中之后，BIOS就会将控制权交给MBR。
主引导加载程序查找并加载次引导加载程序。它在分区表中查找活动分区，当找到一个活动分区时，扫描分区表中的其他分区，以确保它们都不是活动的。当这个过程验证完成之后，就将活动分区的引导记录从这个设备中读入RAM中并执行它。
次引导加载程序加载Linux内核和可选的初始RAM 磁盘，将控制权交给Linux内核源代码。
运行被加载的内核，并启动用户空间应用程序。

Linux下的C 编程

Linux中宏定义、变量名、函数名命名习惯是什么？

#define PI 3.1415926
int min_value, max_value;//单词之间以_相连
void send_data(void);

如何定义零长数组？

struct var_data
{
int len;
char data[0];
};

零长数组有什么作用？

char data[0]仅仅意味着程序中通过var_data 结构体实例的data[index]成员可以访问len 之后的第index 个地址，它并没有为data[]数组分配内存，因此sizeof(structvar_data)=sizeof(int)。

如何利用零长数组访问数据？

struct var_data s;
...
for (i = 0; i < s.len; i++)
{
printf("%02x", s.data[i]);
}

如何使用case语法结构？

//case x…y这样的语法，区间[x,y]的数都会满足这个case的条件，
switch (ch)
{
case '0'... '9': c -= '0';
break;
case 'a'... 'f': c -= 'a' - 10;
break;
case 'A'... 'F': c -= 'A' - 10;
break;
}
//代码中的case '0'... '9'等价于标准C中的如下代码：
case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':

什么是语句表达式？

包含在括号中的复合语句看做是一个表达式，称为语句表达式，它可以出现在任何允许表达式的地方

如何定义和使用语句表达式？

#define min_t(type,x,y) ({ type _ _x = (x); type _ _y = (y); _ _x < _ _y ? _ _x: _ _y; })
int ia, ib, mini;
float fa, fb, minf;
mini = min_t(int, ia, ib);
minf = min_t(float, fa, fb);

typeof 关键字有什么作用？

typeof(x)语句可以获得x 的类型

如何使用typeof 关键字？

通过代码行(void) (&_x == &_y)的作用是检查_x 和_y的类型是否一致

#define min(x,y) ({ const typeof(x) _x = (x); const typeof(y) _y = (y); (void) (&_x == &_y); _x < _y ? _x : _y; })

如何定义可变参数的宏？

arg 表示其余的参数可以是零个或多个，这些参数以及参数之间的逗号构成 arg 的值，在宏扩展时替换arg，使用“##”的原因是处理arg 不代表任何参数的情况，这时候，前面的逗号就变得多余了。使用“##”之后，GNU C预处理器会丢弃前面的逗号。

#define pr_debug(fmt,arg...) printk(fmt,##arg)
//例如下列代码：
pr_debug("%s:%d",filename,line)
//会被扩展为：
printk("%s:%d", filename, line)

如何使用当前函数名？

_ _FUNCTION_ _保存函数在源码中的名字，_ _PRETTY_FUNCTION_ _保存带语言特色的名字

void example()
{
printf("This is function:%s", _ _FUNCTION_ _);
}
//代码中的_ _FUNCTION_ _意味着字符串“example”

什么是特殊属性声明？

GNU C允许声明函数、变量和类型的特殊属性，以便进行手工的代码优化和定制代码检查的方法。

如何进行特殊属性声明？

指定一个声明的属性，只需要在声明后添加__attribute__(( ATTRIBUTE ))。其中ATTRIBUTE 为属性说明，如果存在多个属性，则以逗号分隔。

//noreturn
# define ATTRIB_NORET _ _attribute_ _((noreturn)) ....
asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code) ATTRIB_NORET;
//format
asmlinkage int printk(const char * fmt, ...) _ _attribute_ _ ((format(printf, 1, 2)));
//aligned,表示该结构类型的变量以4 字节对界。
struct example_struct{
char a;
int b;
long c;
} _ _attribute_ _((aligned(4)));
//packed
struct example_struct{
char a;
int b;
long c _ _attribute_ _((packed));
};