Linux kernel内核功能及架构

linux 内核源码网站

linux内核命名规则

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Linux内核源码简介

1. 源码获取

在www.kernel.org 直接获取。

2. 源码目录简介

其源码主要有以下目录（介绍重要目录）：

1. Arch目录：存放处理器相关的代码。下设子目录，分别对应具体的CPU，每个子目录有boot，mm，以及kernel三个子目录，分别对应系统引导以及存储管理，和系统调用

2. Include目录：内核所需要的大部分头文件目录。与平台无关的在include/linux子目录下，与平台相关的则放在include相应的子目录中。

3. fs目录：存放各种文件系统的实现代码。

4. init目录：init子目录包含核心的初始化代码（不是系统的引导代码）。其包含两个文件main.c和version.c，可以用来研究核心如何工作。

5. ipc目录：包含核心进程间的通信代码。

6. kernel目录：包含内核管理的核心代码。与硬件相关代码放在arch/*/kernel目录下。

7. mm目录：包含了所有的内存管理代码。与硬件相关的内存管理代码位于arch/*/mm目录下。

8. scripts目录：包含用于配置核心的脚本文件。

9. lib目录：包含了核心的库代码，与硬件相关的库代码被放在arch/*/lib/目录下

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Linux体系结构简介

1. Linux体系结构（linux系统构成）

Linux可以分为两部分，分别为用户空间和内核空间具体如下图：

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a) 用户空间包括：用户的应用程序、C库

b) 内核空间包括：系统调用接口、内核（狭义内核）、平台架构相关的代码

2. 为什么要分为内核空间和用户空间

我们的cpu在不同的工作模式下可以访问的寄存器是不一样的，所以为了保护我们的操作系统，避免用户程序将内核搞崩，所以进行了内核空间和用户空间的划分。

a) Arm处理器工作模式划分：usr、FIQ、IRQ、svc、abt、und、sys（具体介绍在http://www.cnblogs.com/wrjvszq/p/4199682.html）

b) X86处理器工作模式划分：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

注：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

3. Linux内核结构（广义内核）

Linux内核由七个部分构成，具体如下图：

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a) 系统调用接口（System Call interface,SCI）：
系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口，open、read、write等系统调用。

b) 进程管理（Process Scheduler，PM）：创建进程、删除进程、调度进程等，也称作进程管理、进程调度。负责管理CPU资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。

c) 内存管理（ Memory Manager，MM）：内存分配、管理等，负责管理Memory（内存）资源，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。

d) 虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）：为多种文件系统提供统一的操作接口。Linux内核将不同功能的外部设备，例如Disk设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现。

e) Network（网络子系统）：提供各种网络协议，负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。

f) IPC（Inter-Process Communication）：进程间通信。IPC不管理任何的硬件，它主要负责Linux系统中进程之间的通信。

g) CPU架构相关代码（Arch）：为的是提高至移植性。

h) 设备驱动程序（DD）：各种设备驱动，占到内核的70%左右代码。

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主要子系统模块介绍

1.进程调度（Process Scheduler)

进程调度是Linux内核中最重要的子系统，它主要提供对CPU的访问控制。因为在计算机中，CPU资源是有限的，而众多的应用程序都要使用CPU资源，所以需要“进程调度子系统”对CPU进行调度管理。

进程调度子系统包括4个子模块（见下图），它们的功能如下：

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1. Scheduling Policy，实现进程调度的策略，它决定哪个（或哪几个）进程将拥有CPU。

2. Architecture-specific Schedulers，体系结构相关的部分，用于将对不同CPU的控制，抽象为统一的接口。这些控制主要在suspend和resume进程时使用，牵涉到CPU的寄存器访问、汇编指令操作等。

3. Architecture-independent Scheduler，体系结构无关的部分。它会和“Scheduling Policy模块”沟通，决定接下来要执行哪个进程，然后通过“Architecture-specific Schedulers模块”resume指定的进程。

4. System Call Interface，系统调用接口。进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。

2.内存管理（Memory Manager, MM)

内存管理同样是Linux内核中最重要的子系统，它主要提供对内存资源的访问控制。Linux系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。

内存管理子系统包括3个子模块（见下图），它们的功能如下：

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1.Architecture Specific Managers，体系结构相关部分。提供用于访问硬件Memory的虚拟接口。

2.Architecture Independent Manager，体系结构无关部分。提供所有的内存管理机制，包括：以进程为单位的memory mapping；虚拟内存的Swapping。

3. System Call Interface，系统调用接口。通过该接口，向用户空间程序应用程序提供内存的分配、释放，文件的map等功能。

3. 虚拟文件系统（Virtual Filesystem, VFS）

传统意义上的文件系统，是一种存储和组织计算机数据的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目录结构），抽象计算机磁盘、硬盘等设备上冰冷的数据块，从而使对它们的查找和访问变得容易。因而文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。

随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。

我们可以从磁盘、硬盘、NAND Flash等设备中读取或写入数据，因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其它的硬件设备，例如内存、显示器（LCD）、键盘、串口等等。我们对硬件设备的访问控制，也可以归纳为读取或者写入数据，因而可以用统一的文件操作接口访问。Linux内核就是这样做的，除了传统的磁盘文件系统之外，它还抽象出了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑，都是由VFS子系统实现。

VFS子系统包括6个子模块（见下图），它们的功能如下：

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1. Device Drivers，设备驱动，用于控制所有的外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备（特别是嵌入式产品），所以也有非常多的设备驱动。因此，Linux内核中将近一半的Source Code都是设备驱动，大多数的Linux底层工程师（特别是国内的企业）都是在编写或者维护设备驱动，而无暇估计其它内容（它们恰恰是Linux内核的精髓所在）。

2. Device Independent Interface， 该模块定义了描述硬件设备的统一方式（统一设备模型），所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。同时可以用一致的形势向上提供接口。

3. Logical Systems，每一种文件系统，都会对应一个Logical System（逻辑文件系统），它会实现具体的文件系统逻辑。

4. System Independent Interface，该模块负责以统一的接口（快设备和字符设备）表示硬件设备和逻辑文件系统，这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。

5. System Call Interface，系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。

4.网络子系统（Net）

网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。在Linux内核中，网络子系统几乎是自成体系，它包括5个子模块（见下图），它们的功能如下：

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1. Network Device Drivers，网络设备的驱动，和VFS子系统中的设备驱动是一样的。

2. Device Independent Interface，和VFS子系统中的是一样的。

3. Network Protocols，实现各种网络传输协议，例如IP, TCP, UDP等等。

4. Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口（socket)。

5. System Call interface，系统调用接口，向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。