此为个人学习笔记存档

week 3 构造一个简单的Linux系统MenuOs

复习:

计算机有三个法宝:存储程序计算机,函数调用堆栈,中断

操作系统有两把剑:

1.中断上下文的切换,保存现场和恢复现场

2.进程上下文的切换。

一、Linux内核源代码简介

实现视图。

  1. arch目录

    占有相当庞大的空间

    arch/x86目录下的代码是需要重点关注的。

    arch下其他目录可以删掉。

  2. init目录

    内核启动相关的基本代码基本都在init目录下。

    main.c 文件中有一个start_kernel函数,初始化Linux内核的起点,这个函数相当于普通c程序的main函数。

  3. kernel目录

    Linux内核的核心代码在kernel目录中

  4. 其他

    Documentation 文档

    drivers 驱动

    fs-filesystem 文件系统

    include

    ipc 进程间通信

  5. README:

    INSTALLING 怎样安装内核源代码——怎么解压怎么打补丁

    make mrproper 把生成的中间代码清理干净

    menuconfig

二、构造一个简单的Linux系统

实验指导(以下内容来自课程,整理在此方便查看)

  • 使用实验楼的虚拟机打开shell

    1.cd LinuxKernel/

    2.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,支持三个命令help、version和quit。

  • 通过gdb跟踪内核的启动过程参见视频演示。

  • 使用自己的Linux系统环境搭建MenuOS的过程

    //下载内核源代码编译内核

    cd ~/LinuxKernel/

    wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz

    xz -d linux-3.18.6.tar.xz

    tar -xvf linux-3.18.6.tar

    cd linux-3.18.6

    make i386_defconfig

    make # 一般要编译很长时间,少则20分钟多则数小时

    //制作根文件系统

    cd ~/LinuxKernel/

    mkdir rootfs

    git clone https://github.com/mengning/menu.git # 如果被墙,可以使用附件menu.zip

    cd menu

    gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread # 系统会默认启动init,即第一个用户态进程,1号进程

    cd ../rootfs

    cp ../menu/init ./

    find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img # 镜像

    //启动MenuOS系统

    cd ~/LinuxKernel/

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

  • 重新配置编译Linux使之携带调试信息

  1. 在原来配置的基础上,make menuconfig选中如下选项重新配置Linux,使之携带调试信息

  2. 如下这步和第三步实验楼可以不做

     kernel hacking—>
    [*] compile the kernel with debug info
  3. make重新编译(时间较长)

  • 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) cpu初始化之前把它冻结起来

    //-s shorthand for -gdb tcp::1234 在1234端口上建立了一个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

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

老刘给的,新版本的方法:

  1. Download kali-linux-2016.1 and install

    Notice: to use LVM to manage disks

  2. VMWare Tools

     apt-cache search open-vm*
    apt-get install open-vm-tools
    apt-get install open-vm-tools-desktop//重启后,剪贴板就可以共享了
  3. Qemu

     apt-get install qemu
  4. Source

  5. menu

  6.  git clone https://github.com/mengning/menu.git
    //缺少库文件sys/cdefs.hß
    apt-get install build-essential libc6-dev libc6-dev-i386
    gcc -o init2 linktable.c menu.c test.c -m32 -static -lpthread
  7. finally

     mkdir rootfs
    ls
    cd rootfs/
    cp ../init2 ./init
    ls
    find . | cpio -o -Hnewc | gzip -9 > ../rootfs.img
    qemu-system-x86_64 -kernel /boot/vmlinuz-4.3.0-kali1-amd64 -initrd ../rootfs.img

三、跟踪调试Linux内核的启动过程

1.使用gdb跟踪调试内核的方法

前面有贴:

  • 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) cpu初始化之前把它冻结起来

    //-s shorthand for -gdb tcp::1234 在1234端口上建立了一个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

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
(gdb)c # 系统开始启动,启动到start_kernel
(gdb)list # 可以看到start_kernel上下的代码
(gdb)break rest_init
(gdb)c # 当前系统执行到rest_init
(gdb)list # 可以看到rest_init是在start_kernel的尾部调用的。

2.简单分析一下start_kernel

首先在init目录下main.c里找到start_kernel函数

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。

不管分析内核的哪一部分都会涉及到start_kernel.

trap_init() 初始化一些中断向量

mm_init() 内存管理模块

sched_init() 调度模块

rest_init()中有kernel_thread(kernel_init,NULL,CLONE_FS),kernel_init中有run_init_process,创建了一号进程,默认路径下的程序。

init_process 一号进程,默认的

还创建了kthreadd,一个内核线程来管理系统的资源。

启动完了之后进入了一个cpu_idle,cpu_idle_loop,就是一个while(0)的无限循环,即idle进程,0号进程,一直存在

当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。

3.课程中给的参考资料,在此存档。

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。
    • 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
  • =init进程详解

  • =Linux内核中的init_task进程和idle进程

  • 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。

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