2020-2021-1 20209323《Linux内核原理与分析》第四周作业
在本地Ubuntu上 制作MenuOS并分析Linux内核的启动过程
1. 下载内核源码
版本号：Linux-3.18.6，解压并编译。首先创建一个LinuxKernel文件夹，在该文件夹下进行如下操作：
cd ~/LinuxKernel/ wget:https:www.kernel.org/pub/linux/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz xz -d linux-3.18.6.tar.xz //.xz文件格式的解压 tar -xvf linux-3.18.6.tar //tar文件格式的解压 cd linux-3.18.6 make i386_deconfig make
make编译过程：
编译时出现书中提到gcc编译器版本问题，问题原因在于现在的linux编译器gcc版本过高，解决方法是：
查看内核目录include/linux，发现里面确实没有compiler-gcc9.h，只需要下载compiler-gcc9.h放到该目录下即可解决这个问题。
2. 制作根文件系统
返回上级目录，在LinuxKernel目录下进行以下操作：
mkdir rootfs git clone https://github.com/mengning/menu.git cd menu gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static cd ../rootfs cp ../menu/init ./ #把init复制到rootfs下 find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img #把当前rootfs下的所有文件打包成一个镜像文件
init是第一个用户态进程，是1号进程。把init复制到rootfs目录下，然后使用cpio方式把当前rootfs下的所有文件打包成一个镜像文件，这时一个最简单的根文件系统的镜像就制作好了。
在执行 gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static 时出现以下错误：
查阅后主要是gcc缺少32位的环境，使用命令 apt-get install gcc-multilib 安装multilib后解决问题，成功编译。
3. 启动Linux内核和Menuos
使用 sudo apt-get install qemu 命令下载安装qemu
安装qemu后，依然提示无法找到qemu，返回usr/bin目录中查找，发现只存在qemu-system-i386
解决方法1：可以建立一条软链接
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu
解决方法2：下载qemu-system-i386
sudo apt-get install qemu-system-i386
再输入如下命令，便可以启动qemu成功。
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img #启动MenuOS
4. 对内核进行跟踪调试
重新配置编译Linux内核，使之携带调试信息
make menuconfig
make
5. 跟踪调试Linux内核启动过程
用以下命令启动Linux内核，如图，CPU进入freeze状态
cd LinuxKernel/ 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) //在CPU启动之前冻结CPU
# -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
-s：在TCP1234这个端口上创建了一个gdb-server，可以打开另一个窗口，用gdb把带有符号表的内核镜像加载进来，然后连接gdb server，设置断点跟踪内核。
另外需要一个terminal窗口，建立gdb和之前我们在启动内核时qemu -s选项所启动的gdb server之间的连接。
file linux-3.18.6/vmlinux target remote:1234
在start_kernel处设置断点 break start_kernel() ，刚才在stop状态，按c继续执行，启动到start_kernel()函数的位置停在断点处，然后单步执行，用gdb查看start_kernel()上下的代码。
start_kernel函数的执行过程
lockdep_init(); set_task_stack_end_magic(&init_task); // init_task即手工创建的PCB，0号进程即最终的idle进程。 smp_setup_processor_id(); debug_objects_early_init(); // ... trap_init(); // 中断初始化向量 mm_init(); // 内存管理莫怪的初始化 sched_init(); // 进程调度初始化 // ... rest_init(); // 启动1号进程
用set_task_stack_end_magic(&init_task); 手工创建0号进程init_task()，最终变成idle进程。init_idle()函数会把init_task加入到cpu的运行队列中去，在没有其他进程加入cpu队列的时候，init_task会一直运行，当其他进程加入进来的时候，init_task就会被设置成idle,并使用调度函数将切换到新加入进来的进程上。然后，初始化各个模块，如内存管理模块 、中断、调度模块等等。运行到rest_init()，初始化进程，其中rest_init()是内核初始化的最后一步，它也是所有进程的祖先。
下面我们分析这个函数
kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); //初始化第一个用户态进程，也就是1号进程
kernel_thread中传入的函数init需要进行分析一下，我们截取部分代码如下：
run_init_process("/sbin/init"); // run_init_process()实际上是通过嵌入汇编构建一个类似用户态代码
run_init_process("/etc/init"); // 一样的 sys_execve()调用，其参数就是要执行的可执行文件名，也就
run_init_process("/bin/init"); // 是这里的 init process 在磁盘上的文件。
run_init_process("/bin/sh");
在run_init_procrss()处断点调试，run_init_process 就是通过 execve()来运行 init 程序，到这里idle_task（）的任务完成，将会被调度函数设置为空闲的进程。
6.总结
Linux在start_kernel执行之前都是汇编代码，在他执行后，各种环境初始化后，执行c代码。0号进程是作者手工创建的，它的任务就是在CPU的队列中没有进程的时候一直执行，在有进程的时候切换到新进程，而后被设置为空闲状态。start_kernel最后一部分是第一个用户态进程PID=1的正式生成，就是rest_init(),这个进程是系统的1号进程，这个时候0号进程会被设置成idle进程。1号进程执行，生成系统所需的所有进程，其实就是调用了run_init_process()函数加载文件，生成进程。
不管分析内核的哪一部分都会涉及到start_kernel。通过start_kernel进行调用，来初始化。
init进程是第一个用户态进程，叫做”1号进程“。通过rest_init函数 -> kernel_init函数 -> run_init_process生成，找根目录下的程序来作为“1号进程”。
当系统没有进程需要执行时就调度到idle进程。这就是“0号进程”。从系统启动之后就一直存在。它创建了1号进程“kernel_init”和其他进程。这样系统就启动起来了。
cpu队列进程的切换，将0号进程设置，用到函数idlecpu_idle();
