Linux内核简介及编译教程

博主去年双11购入AMD Vega显卡(为了黑苹果免驱以及硬解),发现Linux下无法驱动Vega显卡,4K显示器分辨率被锁定为1920x2160的奇葩分辨率,无法接受。于是Google了一下发现当时的内核(Linux 4.12)并不支持AMD Vega显卡,于是打算编译内核升级到最新版本,毕竟Linux的舒适使用对博主十分重要。现在分享一下Linux Kernel的编译教程。

注意:由于时间久远,博主的Linux已经升级Ubuntu 18.04,自带内核版本为Linux 4.15,所以演示平台为Ubuntu 18.04,编译的内核版本为Linux 4.18.5。另外,本文中部分图片来源网络。因为经典体系架构图现画比较麻烦。

Linux内核简介

Linux Kernel Map

Linux 系统体系结构

如下图所示,Linux体系结构,从大的方面可以分为用户空间(User Space)和内核空间(Kernel Space)两部分。

  • 用户空间中包含了C库,用户的应用程序。在某些体系结构图中还包含了shell,当然shell脚本也是Linux体系中不可缺少的一部分。
  • 内核空间包括硬件平台、平台依赖代码、内核、系统调用接口。
  • 在任何一个现代操作系统中,都是分层的。为什么需要分层呢?

    从程序员的角度分析,将linux底层和应用分开,做应用的做应用,做底层的做底层,各干各的。经济学的基本原理是,分工产生效率。

    从安全性的角度分析,是为了保护内核。现代CPU通常都实现了不同的工作模式。

    以ARM为例:ARM实现了7种工作模式,不同模式下CPU可以执行的指令或者访问的寄存器不同:(1)用户模式 usr (2)系统模式 sys(3)管理模式 svc(4)快速中断 fiq(5)外部中断 irq(6)数据访问终止 abt(7)未定义指令异常。如果任何一个上层应用都可以调用寄存器,那样肯定是无法稳定执行的。而且因为出现了这个问题,出现了一个新的学科“现代操作系统”,如果大家感兴趣可以看一下“现代操作系统”相关文章或者书籍。

    以X86为例:X86实现了4个不同级别的权限,Ring0—Ring3 ;Ring0下可以执行特权指令,可以访问IO设备;Ring3则有很多的限制。如果分析一下Android的,这方面做的更加“丧心病狂”,Android所有的APK应用程序,都是在Java虚拟机上面运行,应用程序更加远离底层。

    另外,用户空间和内核空间是程序执行的两种不同状态,我们可以通过“系统调用”和“硬件中断”来完成用户空间到内核空间的转移。

Linux Kernel体系结构

如下图所示,是Linux内核结构图。

SCI层(System Call Interface)

这一层是给应用用户空间提供一套标准的系统调用函数来访问Linux。前面分析Linux体系结构的时候,介绍过任何一类现代操作系统都不会允许上层应用直接访问底层,在Linux中,内核提供了一套标准接口,上层应用就可以通过这一套标准接口来访问底层。

PM(Procees Management)

这一部分包括具体创建进程(fork、exec),停止进程(kill、exit),并控制他们之间的通信(signal等)。还包括进程调度,控制活动进程如何共享CPU。这一部分是Linux已经做好的,在写驱动的时候,只需要调用对应的函数即可实现这些功能,例如创建进程、进程通信等等。

MM(Memory Management)

内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享内存区域。

VFS(Virtual File Systems)

虚拟文件系统,隐藏各种文件系统的具体细节,为文件操作提供统一的接口。在Linux中“一切皆文件”,这些文件就是通过VFS来实现的。Linux提供了一个大的通用模型,使这个模型包含了所有文件系统功能的集合。如下图所示,是一个虚拟文件系统的结构图。

DD(Device Drivers)

设备驱动,Linux驱动一般分为网络设备、块设备、字符设备、杂项设备,需要我们编写的只有字符设备,杂项设备是不容易归类的一种驱动,杂项设备和字符设备有很多重合的地方。

PD(Physical Devices)

这一部分提供丰富的网络协议支持。

Linux Kernel源码

官网

www.kernel.org

目录结构

  • arch:根据cpu体系结构不同而分的代码
  • block:部分块设备驱动程序
  • crypto:加密,压缩,CRC校验算法
  • documentation:内核文档
  • drivers:设备驱动程序
  • fs(虚拟文件系统vfs):文件系统
  • include:内核所需的头文件,(与平台无关的头文件在include/linux中)
  • lib:库文件代码(与平台相关的)
  • mm:实现内存管理,与硬件体系结构无关的(与硬件体系结构相关的在arch中)
  • net:网络协议的代码
  • samples:一些内核编程的范例
  • scripts:配置内核的脚本
  • security:SElinux的模块
  • sound:音频设备的驱动程序
  • usr:cpio命令实现,用于制作根文件系统的命令(文件系统与内核放到一块的命令)
  • virt:内核虚拟机

Linux Kernel编译

下载Linux Kernel源码并拷贝到/usr/src目录

输入如下命令即可

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wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.18.5.tar.xz && cp -f linux-4.18.5.tar.xz /usr/src

解压Linux Kernel

输入如下命令即可

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cd /usr/src && tar -xvf linux-4.18.5.tar.xz && cd linux-4.18.5

Ubuntu 18.04下,要执行以下命令安装软件包

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sudo apt install fortune

配置编译参数

执行以下命令,会弹出一个带有GUI的配置界面,一般情况下默认参数就好,光标移动到Save保存即可,如图:

1
make menuconfig

编译内核

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make -j12

注意:-j参数后面加本机CPU线程数可以加快编译速度,博主的8700K是6核心12线程,所以-j12。

安装内核

1
2
make modules_install
make install

更新grub引导

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update-grub2

至此升级内核成功,重启电脑。

确认升级是否成功

重启后,执行如下命令查看内核版本,和编译版本相同即为成功

1
uname -r

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