Linux内核分析——构造一个简单的Linux系统MenuOS

Posted 2020-06-22

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一、Linux内核源代码简介

1、计算机三大法宝

　　存储程序计算机

　　函数调用堆栈

　　中断机制

2、操作系统两把宝剑

　　中断上下文的切换

　　进程上下文的切换

3、函数目录

　　Linux-3.18.6/arch/x86

　　内核启动相关的代码基本都存在init目录中。

　　start_kernel函数相当于普通C程序的main函数。

　　Linux内核的核心代码在kernel目录中。

二、构造一个简单的Linux系统MenuOS

实验过程：

进入实验楼的虚拟机，打开shell。

cd Linuxkernel/

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

 

内核启动完成后进入menu程序,支持命令help、version和quit。

三、使用gdb跟踪调试Linux内核的方法

1、使用gdb跟踪调试内核

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

　　# 关于-s和-S选项的说明：

　　# -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)

　　# -s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

 

当前状态是被冻结起来的。

2、gdb设断点

（1）另外打开一个shell窗口

 gdb

      （gdb）file linux-3.18.6/vmlinux  #在gdb界面中targe remote之前加载符号表

      （gdb）target remote:1234  #建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

      （gdb）break start_kernel  #断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

（2）设置完断点后，输入c命令继续执行，函数会停在断点处。

 

（3）输入list指令可以查看断点处的代码。

四、简单分析start_kernel

1、全局变量init_tast：即手工创建的pcb，0号进程即最终的idle进程。

2、trap_init:硬件中断，初始化一些中断向量，系统调用。

　  set_intr_gate：设置中断门。

     set_system_trap_gate：系统陷阱门SYSCALL VECTOR。

3、mm_init:内存管理模块初始化。

4、sched_init：进程调度初始化函数，函数内做了很关键的一步初始化——对0号进程，即idle进程进行初始化。

5、rest_init：其他初始化函数，函数内将创建1号进程，即init进程。

6、init_process：是linux系统中的1号进程，是第一个用户态进程，默认根目录下的init程序。

7、kthreadd:内核线程，用来管理系统资源。

五、总结

　　1、道生一，一生二，二生三，三生万物。

　　2、start_kernel函数相当于普通C程序的main函数。内核启动过程包括start_kernel之前和之后，之前全部是做初始化的汇编指令，之后开始C代码的操作系统初始化，最后执行第一个用户态进程init。

　　3、总的来说，x86架构的Linux内核启动过程分为6大步，分别为：
    　（1）实模式的入口函数_start()：在header.S中，这里会进入众所周知的main函数，它拷贝bootloader的各个参数，执行基本硬件设置，解析命令行参数。
    　（2）保护模式的入口函数startup_32()：在compressed/header_32.S中，这里会解压bzImage内核映像，加载vmlinux内核文件。
   　 （3）内核入口函数startup_32()：在kernel/header_32.S中，这就是所谓的进程0，它会进入体系结构无关的start_kernel()函数，即众所周知的Linux内核启动函数。start_kernel()会做大量的内核初始化操作，解析内核启动的命令行参数，并启动一个内核线程来完成内核模块初始化的过程，然后进入空闲循环。
    　（4）内核模块初始化的入口函数kernel_init()：在init/main.c中，这里会启动内核模块、创建基于内存的rootfs、加载initramfs文件或cpio-initrd，并启动一个内核线程来运行其中的/init脚本，完成真正根文件系统的挂载。
    　（5）根文件系统挂载脚本/init：这里会挂载根文件系统、运行/sbin/init，从而启动众所周知的进程1。
       （6）init进程的系统初始化过程：执行相关脚本，以完成系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等，最后运行登录程序，出现登录界面。