20135302魏静静——linux课程第三周实验及总结

linux课程第三周实验及总结

一、实验：跟踪分析Linux内核的启动过程

• 使用gdb跟踪调试内核从start_kernel到init进程启动
• 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（《软件工程C编码实践篇》的课程项目），支持三个命令help、version和quit，您也可以添加更多的命令，对选修过《软件工程C编码实践篇》的童鞋应该是a piece of cake.

• 使用gdb跟踪调试内核

1. 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：
2. # -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)
3. # -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

• 另开一个shell窗口

1. gdb
2. （gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
3. （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
4. （gdb）break start_kernel # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

实验过程分析

• Linux内核的启动过程

启动Linux内核的三个参数：

• • kernel
  • initrd
  • root所在分区、目录

qemu -kernel (文件名) -initrd (rootfs.img)

1. qemu相当于打开一个虚拟机
2. kernel启动一个内核，位置由其后的文件名指定。如果在当前目录下，可以直接输入文件名，如果不是，则需要输入该内核的全路径。
3. initrd指令是挂了一个ramdisk虚拟硬盘，是内核的重要补充，rootfs.img就是这个虚拟硬盘，内有分区，然后启动的其实是其中的init文件，这个文件是由之前的menuOS编译而成，gcc -o命名为init。

0号进程
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。0号进程一直存在，系统没有进程需要执行时调度到0号进程。

init_process 是默认的一号进程

• 实验截图

1. 运行截图
   

2. 第一个断点，start_kernel
   

3. 实验目录

   • 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。

   • 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。

   • kernel目录
     Linux内核的核心代码在kernel目录中

   • 其他
     Documentation 文档
     drivers 驱动
     fs-filesystem 文件系统
     include
     ipc 进程间通信

   • 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

4. GDB使用

          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。

         5.实验函数

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。

二、课程总结

1、Linux内核启动过程

• 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

2、怎么编译内核？

• 最简单的是make config，但是这个需要的时间很长
• make menuconfig，是图形化的界面，比上面更为方便
• make allnoconfig，所有能选no的都选no，简单粗暴。

• Makefile和config
  这两个和在一起能够决定内核中哪些需要被编译，哪些不会被编译。

参考链接：

详细实验过程介绍及分析：http://www.cnblogs.com/20135202yjx/p/5262907.html