构造一个简单的Linux系统MenuOS
谈愈敏 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
Linux内核源代码
回顾：
计算机三大法宝
- 存储程序计算机
- 函数调用堆栈
- 中断
操作系统两把宝剑
- 中断上下文的切换
- 进程上下文的切换
Linux内核源代码简介
- arch/x86目录下的代码是重点关注的
- init目录：内核启动相关的代码基本都在init目录下
- init/main.c中start_kernel函数就相当于普通C程序的main函数
- fs目录：file system文件系统
- ipc目录：进程间通信
- kernel目录：Linux内核核心代码在kernel目录中
构造一个简单的Linux系统
实验过程
使用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
qemu:启动一个虚拟机平台
-kernel：给一个内核，操作系统
-initrd：驱动所需的硬盘
rootfs.img：放一个可执行文件由menuOS源代码编译成的init
内核启动完成：
输入help，可以发现系统支持三个命令help、version和quit：
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)指在CPU初始化之前（刚启动的时候）将其冻结
# -s shorthand for -gdb tcp::1234 指在1234这个端口上创建的gdb server，若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项
另开一个shell窗口（使用水平分割）
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
符号：全局函数名，全局变量名，汇编时没有，不需要符号只是一个地址，但调试时需要，所以有符号表：符号与在内存中地址的一一对应。
设置完断点之后，输入c命令continue继续执行，函数会停在断点处
输入list指令之后，可以详细地查看断点附近的代码：
总结分析start_kernel
start_kernel：包括很多模块的初始化。
不管分析内核的哪一部分都会涉及到start_kernel，都会在init初始化。
1、全局变量init_task
其中有一个全局变量init_task,即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。
2、trap_init
trap_init涉及到中断，初始化一些中断向量
set_intr_gate：设置中断门
set_system_trap_gate：系统陷阱门SYSCALL VECTOR
分析中断时主要分析系统调用，系统调用是用指令的方式触发中断。硬件中断不好模拟分析。
3、mm_init
mm_init:内存管理模块初始化
4、sched_init
sched_init:调用进程调度初始化
5、rest_init
rest_init中：
kernel_init:创建1号进程
第一个用户态进程：init_process,1号进程，找默认路径下的程序作为1号进程
kthreadd:内核线程，用来管理系统资源
当系统没有进程需要执行时就调度idle进程，即0号进程，一直存在。
总结内核启动过程
道生一（start_kernel....cpu_idle）
一生二（kernel_init和kthreadd）
二生三（即前面0、1和2三个进程）
三生万物（1号进程是所有用户态进程的祖先，2号进程是所有内核线程的祖先）
新内核的核心代码已经优化的相当干净，都符合中国传统文化精神了。
Linux内核启动过程相关的参考资料
计算机的启动过程概述
- x86 CPU启动的第一个动作CS:EIP=FFFF:0000H（换算为物理地址为000FFFF0H，因为16位CPU有20根地址线)，即BIOS程序的位置。http://wenku.baidu.com/view/4e5c49eb172ded630b1cb699.html
- BIOS例行程序检测完硬件并完成相应的初始化之后就会寻找可引导介质，找到后把引导程序加载到指定内存区域后，就把控制权交给了引导程序。这里一般是把硬盘的第一个扇区MBR和活动分区的引导程序加载到内存（即加载BootLoader），加载完整后把控制权交给BootLoader。
- 引导程序BootLoader开始负责操作系统初始化，然后起动操作系统。启动操作系统时一般会指定kernel、initrd和root所在的分区和目录，比如root (hd0,0)，kernel (hd0,0)/bzImage root=/dev/ram init=/bin/ash，initrd (hd0,0)/myinitrd4M.img
- 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。
- 一般分两阶段启动，先是利用initrd的内存文件系统，然后切换到硬盘文件系统继续启动。initrd文件的功能主要有两个：1、提供开机必需的但kernel文件(即vmlinuz)没有提供的驱动模块(modules) 2、负责加载硬盘上的根文件系统并执行其中的/sbin/init程序进而将开机过程持续下去