 Linux內(nèi)核的作用是將應用程序的請求傳遞給硬件，并充當?shù)讓域?qū)動程序，對系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件進行尋址。目前支持模塊的動態(tài)裝卸(裁剪)。Linux內(nèi)核就是基于這個策略實現(xiàn)的。 Linux進程采用層次結(jié)構(gòu)，每個進程都依賴于一個父進程。內(nèi)核啟動init程序作為第一個進程。該進程負責進一步的系統(tǒng)初始化操作。init進程是進程樹的根，所有的進程都直接或者間接起源于該進程。 1. 理解Linux內(nèi)核最好預備的知識點：
結(jié)合了unix操作系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)概念：
3. Linux內(nèi)核的任務：
4. 內(nèi)核實現(xiàn)策略：
5. 哪些地方用到了內(nèi)核機制？
6. Linux進程
include/ ---- 內(nèi)核頭文件，需要提供給外部模塊（例如用戶空間代碼）使用。
▲ Linux系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 最上面是用戶（或應用程序）空間。這是用戶應用程序執(zhí)行的地方。用戶空間之下是內(nèi)核空間，Linux 內(nèi)核正是位于這里。GNU C Library （glibc）也在這里。它提供了連接內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內(nèi)核之間進行轉(zhuǎn)換的機制。這點非常重要，因為內(nèi)核和用戶空間的應用程序使用的是不同的保護地址空間。每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨的地址空間。 Linux 內(nèi)核可以進一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實現(xiàn)了一些基本的功能，例如 read 和 write。系統(tǒng)調(diào)用接口之下是內(nèi)核代碼，可以更精確地定義為獨立于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結(jié)構(gòu)所通用的。在這些代碼之下是依賴于體系結(jié)構(gòu)的代碼，構(gòu)成了通常稱為 BSP（Board Support Package）的部分。這些代碼用作給定體系結(jié)構(gòu)的處理器和特定于平臺的代碼。 Linux 內(nèi)核實現(xiàn)了很多重要的體系結(jié)構(gòu)屬性。在或高或低的層次上，內(nèi)核被劃分為多個子系統(tǒng)。Linux 也可以看作是一個整體，因為它會將所有這些基本服務都集成到內(nèi)核中。這與微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)不同，后者會提供一些基本的服務，例如通信、I/O、內(nèi)存和進程管理，更具體的服務都是插入到微內(nèi)核層中的。每種內(nèi)核都有自己的優(yōu)點，不過這里并不對此進行討論。 隨著時間的流逝，Linux 內(nèi)核在內(nèi)存和 CPU 使用方面具有較高的效率，并且非常穩(wěn)定。但是對于 Linux 來說，最為有趣的是在這種大小和復雜性的前提下，依然具有良好的可移植性。Linux 編譯后可在大量處理器和具有不同體系結(jié)構(gòu)約束和需求的平臺上運行。一個例子是 Linux 可以在一個具有內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器上運行，也可以在那些不提供 MMU 的處理器上運行。
▲ Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) Linux內(nèi)核的主要組件有：系統(tǒng)調(diào)用接口、進程管理、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)堆棧、設(shè)備驅(qū)動程序、硬件架構(gòu)的相關(guān)代碼。 SCI 層提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。正如前面討論的一樣，這個接口依賴于體系結(jié)構(gòu)，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。 進程管理的重點是進程的執(zhí)行。在內(nèi)核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化（線程代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和 CPU 寄存器）。在用戶空間，通常使用進程 這個術(shù)語，不過 Linux 實現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個概念（進程和線程）。內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù)），停止進程（kill、exit），并在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSIX 機制）。 進程管理還包括處理活動進程之間共享 CPU 的需求。內(nèi)核實現(xiàn)了一種新型的調(diào)度算法，不管有多少個線程在競爭 CPU，這種算法都可以在固定時間內(nèi)進行操作。這種算法就稱為 O(1) 調(diào)度程序，這個名字就表示它調(diào)度多個線程所使用的時間和調(diào)度一個線程所使用的時間是相同的。O(1) 調(diào)度程序也可以支持多處理器（稱為對稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進程管理的源代碼，在 ./linux/arch 中可以找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的源代碼。 內(nèi)核所管理的另外一個重要資源是內(nèi)存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內(nèi)存，內(nèi)存是按照所謂的內(nèi)存頁方式進行管理的（對于大部分體系結(jié)構(gòu)來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。不過內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對 4KB 緩沖區(qū)的抽象，例如 slab 分配器。這種內(nèi)存管理模式使用 4KB 緩沖區(qū)為基數(shù)，然后從中分配結(jié)構(gòu)，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，比如哪些內(nèi)存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來動態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。為了支持多個用戶使用內(nèi)存，有時會出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個過程稱為交換，因為頁面會被從內(nèi)存交換到硬盤上。內(nèi)存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。 虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。
▲ Linux文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)堆棧在設(shè)計上遵循模擬協(xié)議本身的分層體系結(jié)構(gòu)?；叵胍幌?，Internet Protocol (IP) 是傳輸協(xié)議（通常稱為傳輸控制協(xié)議或 TCP）下面的核心網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調(diào)用的。socket 層是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的標準 API，它為各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個用戶接口。從原始幀訪問到 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標準化的方法來管理連接，并在各個終點之間移動數(shù)據(jù)。內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)源代碼可以在 ./linux/net 中找到。 Linux 內(nèi)核中有大量代碼都在設(shè)備驅(qū)動程序中，它們能夠運轉(zhuǎn)特定的硬件設(shè)備。Linux 源碼樹提供了一個驅(qū)動程序子目錄，這個目錄又進一步劃分為各種支持設(shè)備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設(shè)備驅(qū)動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。 盡管 Linux 很大程度上獨立于所運行的體系結(jié)構(gòu)，但是有些元素則必須考慮體系結(jié)構(gòu)才能正常操作并實現(xiàn)更高效率。./linux/arch 子目錄定義了內(nèi)核源代碼中依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分，其中包含了各種特定于體系結(jié)構(gòu)的子目錄（共同組成了 BSP）。對于一個典型的桌面系統(tǒng)來說，使用的是 x86 目錄。每個體系結(jié)構(gòu)子目錄都包含了很多其他子目錄，每個子目錄都關(guān)注內(nèi)核中的一個特定方面，例如引導、內(nèi)核、內(nèi)存管理等。這些依賴體系結(jié)構(gòu)的代碼可以在 ./linux/arch 中找到。 如果 Linux 內(nèi)核的可移植性和效率還不夠好，Linux 還提供了其他一些特性，它們無法劃分到上面的分類中。作為一個生產(chǎn)操作系統(tǒng)和開源軟件，Linux 是測試新協(xié)議及其增強的良好平臺。Linux 支持大量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括典型的 TCP/IP，以及高速網(wǎng)絡(luò)的擴展（大于1 Gigabit Ethernet [GbE] 和 10 GbE）。Linux 也可以支持諸如流控制傳輸協(xié)議（SCTP）之類的協(xié)議，它提供了很多比 TCP 更高級的特性（是傳輸層協(xié)議的接替者）。 Linux 還是一個動態(tài)內(nèi)核，支持動態(tài)添加或刪除軟件組件。被稱為動態(tài)可加載內(nèi)核模塊，它們可以在引導時根據(jù)需要（當前特定設(shè)備需要這個模塊）或在任何時候由用戶插入。
1）現(xiàn)代CPU通常都實現(xiàn)了不同的工作模式，以ARM為例：ARM實現(xiàn)了7種工作模式，不同模式下CPU可以執(zhí)行的指令或者訪問的寄存器不同：
以（2）X86為例：X86實現(xiàn)了4個不同級別的權(quán)限，Ring0—Ring3 ;Ring0下可以執(zhí)行特權(quán)指令，可以訪問IO設(shè)備；Ring3則有很多的限制。 2）所以，Linux從CPU的角度出發(fā)，為了保護內(nèi)核的安全，把系統(tǒng)分成了2部分； 3．用戶空間和內(nèi)核空間是程序執(zhí)行的兩種不同狀態(tài)，我們可以通過“系統(tǒng)調(diào)用”和“硬件中斷“來完成用戶空間到內(nèi)核空間的轉(zhuǎn)移。 4．Linux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)（注意區(qū)分Linux體系結(jié)構(gòu)和Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)）
Linux的這種platform driver機制和傳統(tǒng)的device_driver機制相比，一個十分明顯的優(yōu)勢在于platform機制將本身的資源注冊進內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理，在驅(qū)動程序中使用這些資源時通過platform_device提供的標準接口進行申請并使用。這樣提高了驅(qū)動和資源管理的獨立性，并且擁有較好的可移植性和安全性。下面是SPI驅(qū)動層次示意圖，Linux中的SPI總線可理解為SPI控制器引出的總線：
內(nèi)核啟動初始化時的main.c文件中的 kernel_init()→do_basic_setup()→driver_init()→platform_bus_init()→bus_register(&platform_bus_type)，注冊了一條platform總線（虛擬總線，platform_bus）。 設(shè)備注冊的時候 Platform_device_register()→platform_device_add()→(pdev→dev.bus = &platform_bus_type)→device_add()，就這樣把設(shè)備給掛到虛擬的總線上。 Platform_driver_register()→driver_register()→bus_add_driver()→driver_attach()→bus_for_each_dev(), 對在每個掛在虛擬的platform bus的設(shè)備作__driver_attach()→driver_probe_device(),判斷drv→bus→match()是否執(zhí)行成功，此時通過指針執(zhí)行platform_match→strncmp(pdev→name , drv→name , BUS_ID_SIZE),如果相符就調(diào)用really_probe(實際就是執(zhí)行相應設(shè)備的platform_driver→probe(platform_device)。)開始真正的探測，如果probe成功，則綁定設(shè)備到該驅(qū)動。 從上面可以看出，platform機制最后還是調(diào)用了bus_register() , device_add() , driver_register()這三個關(guān)鍵的函數(shù)。 下面看幾個結(jié)構(gòu)體： Platform_device結(jié)構(gòu)體描述了一個platform結(jié)構(gòu)的設(shè)備，在其中包含了一般設(shè)備的結(jié)構(gòu)體struct device dev;設(shè)備的資源結(jié)構(gòu)體struct resource *resource;還有設(shè)備的名字const char *name。（注意，這個名字一定要和后面platform_driver.driver àname相同，原因會在后面說明。） 該結(jié)構(gòu)體中最重要的就是resource結(jié)構(gòu)，這也是之所以引入platform機制的原因。 struct resource 其中 flags位表示該資源的類型，start和end分別表示該資源的起始地址和結(jié)束地址(/include/linux/Platform_device.h)： Platform_driver結(jié)構(gòu)體描述了一個platform結(jié)構(gòu)的驅(qū)動。其中除了一些函數(shù)指針外，還有一個一般驅(qū)動的device_driver結(jié)構(gòu)。 上面說的驅(qū)動在注冊的時候會調(diào)用函數(shù)bus_for_each_dev(), 對在每個掛在虛擬的platform bus的設(shè)備作__driver_attach()→driver_probe_device()，在此函數(shù)中會對dev和drv做初步的匹配，調(diào)用的是drv->bus->match所指向的函數(shù)。platform_driver_register函數(shù)中drv->driver.bus = &platform_bus_type，所以drv->bus->match就為platform_bus_type→match，為platform_match函數(shù)，該函數(shù)如下： static int platform_match(struct device * dev, struct device_driver * drv) 是比較dev和drv的name，相同則會進入really_probe（）函數(shù)，從而進入自己寫的probe函數(shù)做進一步的匹配。所以dev→name和driver→drv→name在初始化時一定要填一樣的。 不同類型的驅(qū)動，其match函數(shù)是不一樣的，這個platform的驅(qū)動，比較的是dev和drv的名字，還記得usb類驅(qū)動里的match嗎？它比較的是Product ID和Vendor ID。 個人總結(jié)Platform機制的好處：
因為Linux內(nèi)核是單片的，所以它比其他類型的內(nèi)核占用空間最大，復雜度也最高。這是一個設(shè)計特性，在Linux早期引起了相當多的爭論，并且仍然帶有一些與單內(nèi)核固有的相同的設(shè)計缺陷。
為了解決這些缺陷，Linux內(nèi)核開發(fā)人員所做的一件事就是使內(nèi)核模塊可以在運行時加載和卸載，這意味著您可以動態(tài)地添加或刪除內(nèi)核的特性。這不僅可以向內(nèi)核添加硬件功能，還可以包括運行服務器進程的模塊，比如低級別虛擬化，但也可以替換整個內(nèi)核，而不需要在某些情況下重啟計算機。 如果Windows已經(jīng)安裝了所有可用的驅(qū)動程序，而您只需要打開所需的驅(qū)動程序怎么辦?這本質(zhì)上就是內(nèi)核模塊為Linux所做的。內(nèi)核模塊，也稱為可加載內(nèi)核模塊(LKM)，對于保持內(nèi)核在不消耗所有可用內(nèi)存的情況下與所有硬件一起工作是必不可少的。
模塊通常向基本內(nèi)核添加設(shè)備、文件系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用等功能。lkm的文件擴展名是.ko，通常存儲在/lib/modules目錄中。由于模塊的特性，您可以通過在啟動時使用menuconfig命令將模塊設(shè)置為load或not load，或者通過編輯/boot/config文件，或者使用modprobe命令動態(tài)地加載和卸載模塊，輕松定制內(nèi)核。 第三方和封閉源碼模塊在一些發(fā)行版中是可用的，比如Ubuntu，默認情況下可能無法安裝，因為這些模塊的源代碼是不可用的。該軟件的開發(fā)人員(即nVidia、ATI等)不提供源代碼，而是構(gòu)建自己的模塊并編譯所需的.ko文件以便分發(fā)。雖然這些模塊像beer一樣是免費的，但它們不像speech那樣是免費的，因此不包括在一些發(fā)行版中，因為維護人員認為它通過提供非免費軟件“污染”了內(nèi)核。 內(nèi)核并不神奇，但對于任何正常運行的計算機來說，它都是必不可少的。Linux內(nèi)核不同于OS X和Windows，因為它包含內(nèi)核級別的驅(qū)動程序，并使許多東西“開箱即用”。希望您能對軟件和硬件如何協(xié)同工作以及啟動計算機所需的文件有更多的了解。  |
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