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发信人: zzt (我命由我不由天), 信区: Linux
标 题: Linux 内核解读入门(上)
发信站: BBS 荔园晨风站 (Fri Aug 18 14:47:35 2000), 转信
【 以下文字转载自 zzt 的信箱 】
【 原文由 zzt.bbs@bbs.dot66.net 所发表 】
作者: phila (新新人类真爱一百) 站内: Linux
标题: Linux 内核解读入门(上)
时间: Thu Aug 10 15:28:00 2000
喻锋荣 (07/26/2000)
针对好多Linux 爱好者对内核很有兴趣却无从下手，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。
1．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）都是一个稳定的发行的核心，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in
clude/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mai
n.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
间通信的代码；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之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。
2．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要查看其他的几个相关的文件，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1/10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 的内核组织有些具体的认识，读者从中也可以学到一些对内核的分
析方法。
以下即为分析实例：
（1）操作平台
硬件：cpu intel Pentium II ;
软件：Redhat Linux 6.0; 内核版本2.2.5
（2）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 tra
p_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0x8
0， 而 system_call 即为中断总控程序的入口地址，中断总控程序用汇编语言定义在/usr
/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S中。
③ 中断总控程序主要负责保存处理机执行系统调用前的状态,检验当前调用是否合法,并根
据系统调用向量，使处理机跳转到保存在 sys_call_table 表中的相应系统服务例程的入口
， 从系统服务例程返回后恢复处理机状态退回用户程序。
而系统调用向量则定义在/usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中，sys_call_tabl
e 表定义在 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 中， 同时在 /usr/src/linux/i
nclude/asm-386/unistd.h 中也定义了系统调用的用户编程接口。
④ 由此可见 ,Linux 的系统调用也像 dos 系统的 int 21h 中断服务, 它把0x80 中断作为
总的入口, 然后转到保存在 sys_call_table 表中的各种中断服务例程的入口地址 , 形成
各种不同的中断服务。
由以上源代码分析可知,要增加一个系统调用就必须在 sys_call_table 表中增加一项 ,并
在其中保存好自己的系统服务例程的入口地址,然后重新编译内核，当然，系统服务例程是
必不可少的。
由此可知，在此版Linux内核源程序<2.2.5>中,与系统调用相关的源程序文件就包括以下这
些:
* arch/i386/boot/bootsect.S
* rch/i386/Kernel/setup.S
* rch/i386/boot/compressed/head.S
* rch/i386/kernel/head.S
* nit/main.c
* rch/i386/kernel/traps.c
* rch/i386/kernel/entry.S
* rch/i386/kernel/irq.h
* nclude/asm-386/unistd.h
当然，这只是涉及到的几个主要文件。而事实上，增加系统调用真正要修改的文件只有inc
lude/asm-386/unistd.h 和arch/i386/kernel/entry.S两个。
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爱到心破碎,也别去怪谁,只因为相遇太美,就算流干泪,伤到底,心成灰,也无所谓。
我破茧成蝶,愿和你双飞,最怕你会一去不回,虽然爱过我,给过我,想过我,就是安慰。
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我向你飞,多远都不累,虽然旅途中,有过痛和累。
我向你追,风温柔地吹,只要你无怨我也无悔。
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