浅谈Debian Linux 内核开发
武钢
2007.12.8
Debian简介
编译内核
Linux的内核结构
内核模块
内核的调试
内核相关的资源和书籍
1. Debian简介
Debian 是一个致力于自由软件开发并宣扬
自由软件基金会之理念的自愿者组织。
Debian 计划创建于 1993 年。
经过多年的成长，那群由 自由软件基金会
资助并受 GNU 哲理影响的爱好者已经演
变为一个拥有大约 1000多 位 Debian 开发
人员的组织。
Debian 开发人员参与制定的重要计划
· Linux Standard Base (LSB) 是一个针对
GNU/Linux 系统标准化的项目，它将使第三方软
件和硬件开发者能更容易的为“普通”的 Linux
设计程序和设备驱动，而不仅仅是为某个特定的
GNU/Linux 发行版进行开发。
· Filesystem Hierarchy Standard (FHS) 则
是朝 Linux 文件系统布局标准化方向的一种努力。
FHS 将使软件开发者能集中精力设计程序，而不
需要担心软件包在不同的 GNU/Linux 发行版的
安装。
Debian GNU/Linux
将 Debian 哲学与方法论，GNU 工具集、
Linux 内核，以及其他重要的自由软件 结
合在一起所构成的独特的软件发行版称为
Debian GNU/Linux。
Debian 具有优秀的技术,为 Linux 引入的
许多特性现在已经成为了非常通用的标准。
Debian 与其他 Linux 发行版最大的不同
之处在于包管理系统的特性。这些工具给
予 Debian 系统管理员对安装到系统上的
软件包的完全控制.
Module-init-tools更新
编译内核前的准备
获取module-init-tools工具程序,并解压缩
tar -zxvf module-init-tools-3.0.tar.gz
进入module-init-tools目录,输入
./configure –prefix=/
将旧版模块工具程序/sbin/insmod与
/sbin/rmmod改名
make moveold
编译,安装与设定
make
make install
./generate-modprobe.conf
/etc/modprobe.conf
编译内核
获取内核源码,并解压缩
tar –zxvf linux-2.6.18.tar.gz
输入make menuconfig调出编译内核的参
数设定, 选择相应的配置时，有三种选择:
[*] 将该功能编译进内核
[ ] 不将该功能编译进内核
[M] 将该功能编译成可以在需要时动态插
入到内核中的模块
在/usr/src/linux-2.6.18目录下输入make指
令编译内核
编译出bzImage文件后,输入make modules
指令,编译可加载模块
输入make modules_install安装模块
Make install
reboot
龙芯平台上的内核编译
注意的问题
Linux/MIPS toolchain 的制作
binutils 版本最好是2.8.1 以上版本的
制作系统本身和制作mips64位系统基本类
似
具体请参考孙海勇的文章
“手把手教你源代码制作龙芯64位系统 “
Linux的内核结构
GNU/Linux 操作系统的基本体系结构
用户空间之下是内核空间，Linux 内核正是位于
这里,它可以进一步划分成 3 层。最上面是系统调
用接口，它实现了一些基本的功能，系统调用接
口之下是内核代码，可以更精确地定义为独立于
体系结构的内核代码。在这些代码之下是依赖于
体系结构的代码，构成了通常称为 BSP（Board
Support Package）的部分。
它提供了连接内核的系统调用接口，还提供了在
用户空间应用程序和内核之间进行转换的机制。
Linux 内核的主要子系统
Linux 内核的一个体系结构透视图
系统调用接口
SCI 层提供了某些机制执行从用户空间到
内核的函数调用。这个接口依赖于体系结
构。SCI 实际上是一个非常有用的函数调
用多路复用和多路分解服务。
进程管理
进程管理的重点是进程的执行。在内核中，
这些进程称为线程，代表了单独的处理器
虚拟化（线程代码、数据、堆栈和 CPU 寄
存器）。在用户空间，通常使用进程 这个
术语，不过 Linux 实现并没有区分这两个
概念（进程和线程）。
2.6 调度系统从设计之初就把开发重点放在
更好满足实时性和多处理机并行性上，并
且基本实现了它的设计目标。
继承和发扬 2.4 版调度器的特点：
交互式作业优先
轻载条件下调度/唤醒的高性能
公平共享
基于优先级调度
高 CPU 使用率
SMP 高效亲和
实时调度和 cpu 绑定等调度手段
在此基础之上的新特性：
O(1)调度算法，调度器开销恒定（与当前系统
负载无关），实时性能更好
高可扩展性，锁粒度大幅度减小
新设计的 SMP 亲和方法
优化计算密集型的批处理作业的调度
重载条件下调度器工作更平滑
子进程先于父进程运行等其他改进
内存管理
内核所管理的另外一个重要资源是内存。
为了提高效率，如果由硬件管理虚拟内存，
内存是按照所谓的内存页 方式进行管理的
（对于大部分体系结构来说都是 4KB）。
Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物
理和虚拟映射所使用的硬件机制
Linux 提供了对 4KB 缓冲区的抽象，例如
slab 分配器。这种内存管理模式使用 4KB
缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟
踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满
的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为
空。这样就允许该模式根据系统需要来动
态调整内存使用。
虚拟文件系统
虚拟文件系统（VFS）为文件系统提供了
一个通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和内核
所支持的文件系统之间提供了一个交换层.
在 VFS 上面，是对诸如 open、close、
read 和 write 之类的函数的一个通用 API
抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定
义了上层函数的实现方式。
文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件
系统层提供了一个通用函数集。这个缓存
层通过将数据保留一段时间从而优化了对
物理设备的访问。
网络协议栈
Linux 操作系统的最大特性之一就是它的网
络栈。它最初源于 BSD 的网络栈，具有一
套非常干净的接口，组织得非常好。其接
口范围从协议无关层（例如通用 socket 层
接口或设备层）到各种网络协议的具体层。
最上面是用户空间层，或称为应用层，其
中定义了网络栈的用户。
底部是物理设备，提供了对网络的连接能
力。
中间是内核空间，即网络子系统。流经网
络栈内部的是 socket 缓冲区sk_buffs），
它负责在源和汇点之间传递报文数据。
内核模块
内核模块是内核的扩展,它提供了在内核运
行过程中动态加载的特性.内核模块通常用
来实现设备驱动程序.
模块被加载进系统后,就在内核态下运行了,
成了内核的一部分,可以读写内核数据结构.
工具文件
lsmod, insmod, rmmod
列出加载模块,插入,删除模块
Modinfo
列出指定模块的信息,比如path/filename,
licence, versionmagic
modprobe
智能的加载或删除模块
模块的初始化和关闭
模块的初始化函数负责注册模块所提供的
任何设施. 通常定义如下:
Static int __init initialization_func(void)
{
/*初始化代码*/
}
module_init(initialization_func);
Module_init作用
在模块的目标代码中增加一个特殊的段,用
于说明内核初始化函数所在的位置
模块可以注册许多不同类型的设施,包括不
同类型的设备,文件系统等
清除函数
每个重要的模块都需要一个清除函数,该函数在模
块被移除前注销接口并向系统返回所有资源
static void __exit cleanup_func(void)
{
/*这里是清除代码*/
}
module_exit(cleanup_func)
Module_exit作用
帮助内核找到模块的清除函数
如果一个模块未定义清除函数,内核就不允
许卸载该模块
宏 __init 和 __exit作用
可以使函数在运行完成后自动回收内存
模块参数
内核允许对模块指定参数,可以在装载模块
时改变,这些参数的值可以在运行insmod或
modprobe命令时赋值
参数使用module_param来声明,它需要三
个参数:变量名称,类型和访问许可掩码
要声明数组参数用
module_param_array(name,type,num,per
m)
内核符号表
公共内核符号表中包含了所有的全局内核
项的地址.当模块装入内核后,它所导出的任
何符号都变成内核符号表的一部分.
一个模块向其他模块导出符号使用下面2个
宏
EXPORT_SYMBOL(name)
EXPORT_SYMBOL_GPL(name)
模块说明的相关宏
MODULE_LICENSE() 说明代码许可类型
MODULE_DESCRIPTION() 模块描述
MODULE_AUTHOR() 作者
MODULE_SUPPORTED_DEVICE() 模块
支持的设备
Makefile
obj-m += myModule.o
KDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
# PWD=$(shell pwd)
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
obj-m := myModule.o表示编译后生成
myModule.ko模块。
$(KDIR) 指定了内核源码的路径，“M=”表
示这是个外部模块，M=$(PWD) 指定了该
模块文件所在的路径。
如果是多个源文件编译出一个模块，假设模块名是test.ko，
那么源文件名不能有test.c
obj-m := test.o
test-objs := file1.o file2.o file3.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
#PWD := $(shell pwd)
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
关键数据结构
内核使用file_operations结构来访问模块程
序中的函数.
管理模块的方法都是file_operations结构提
供的函数指针
Ssize_t(*read)(struct file*,char*,size_t,loff_t *)
Ssize_t(*write)(struct file*,const char*,size_t,
loff_t *)
Int(*open)(struct inode*,struct file)
Int(*release)(struct inode*,struct file*)
Int(*ioctl)(struct inode*,struct file*,
unsigned int,unsigned long)
内核和用户空间的数据传输
copy_to_user
copy_from_user
put_user
get_user
模块实例
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL")
MODULE_AUTHOR(“WUGANG”)
static int hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "Hello, World!\n");
return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "Goodbye!\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
核心模块 Vs 应用程序
大多数小规模及中规模应用程序是从头到
尾执行单个任务，而模块只是预先注册自
己以便服务于将来的某个请求，然后它的
初始化函数就立即结束。
应用程序在退出时，可以不管资源的释放
或者其他的清除工作，但模块的退出却必
须仔细撤销初始化函数所做的一切，否则，
在系统重新引导之前某些东西就会残留在
系统中。
模块运行在所谓的内核空间里，而应用程
序运行在所谓的用户空间中.
内核的调试
使用printk打印调试
系统定义了8种可用的日志级别字符串
KERN_EMERG KERN_ALERT
KERN_CRIT KERN_ERR
KERN_WARNING KERN_NOTICE
KERN_INFO KERN_DEBUG
使用KGDB构建Linux内核调试环境
kgdb 提供了一种使用 gdb调试 Linux 内核
的机制。使用KGDB调试时需要两台机器，
一台作为开发机,另一台作为目标机，两台
机器之间通过串口或者以太网口相连。串
口连接线是一根RS-232接口的电缆.
kgdb发布支持i386、x86_64、32-bit PPC、
SPARC等几种体系结构的调试器
安 装kgdb调试环境需要为Linux内核应用
kgdb补丁，补丁实现的gdb远程调试所需
要的功能包括命令处理、陷阱处理及串口
通讯3个主要的部分。 kgdb补丁的主要作
用是在Linux内核中添加了一个调试Stub。
调试Stub是Linux内核中的一小段代码，提
供了运行gdb的开发机和所调试内 核之间
的一个媒介。gdb和调试stub之间通过gdb
串行协议进行通讯。
stty命令可以对串口参数进行设置：
在development机上执行：
stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F
/dev/ttyS0
在target机上执行：
stty ispeed 115200 ospeed 115200 -F
/dev/ttyS0
安装与配置
内核的配置与编译
[root@lisl tmp]# tar -jxvf linux-2.6.7.tar.bz2
[root@lisl tmp]#tar -jxvf linux-2.6.7-kgdb-
2.2.tar.tar
[root@lisl tmp]#cd inux-2.6.7
应用补丁的命令如下所示：
[root@lisl tmp]#patch -p1 <../linux-2.6.7-
kgdb-2.2/core-lite.patch
[root@lisl tmp]#make menuconfig
在内核配置菜单的Kernel hacking选项中选择
kgdb调试项
kgdb的启动
在将编译出的内核拷贝的到target机器之后，需
要配置系统引导程序，加入内核的启动选项。
下面给出使用lilo作为引导器时的配置示例。
image=/boot/vmlinuz-2.6.7-kgdblabel=kgdb
read-only root=/dev/hda3append="gdb
gdbttyS=1 gdbbaud=115200"
保存好以上配置后重新启动计算机，选择启动带
调试信息的内核，内核将在短暂的运行后在创建
init内核线程之前停下来，打印出以下信息，并等
待开发机的连接。
Waiting for connection from remote gdb...
在开发机上执行：
Gdb
file vmlinux
set remotebaud 115200
target remote /dev/ttyS0
内核相关的网络资源
http://www.kernel.org
http://www.linux.it/kerneldocs
http://www.kernelnewbies.org
http://janitor.kernelnewbies.org/
内核相关的书籍
Understanding.the.Linux.Kernel.3rd.Editio
n
Linux.Kernel.Primer.A.Top.Down.Approac
h.for.x86.and.PowerPC.Architectures
linux.device.drivers.3rd.edition
Linux Kernel Development - 2nd Edition
Thank you