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Linux內(nèi)核的作用是將應(yīng)用程序的請(qǐng)求傳遞給硬件，并充當(dāng)?shù)讓域?qū)動(dòng)程序，對(duì)系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件進(jìn)行尋址。目前支持模塊的動(dòng)態(tài)裝卸(裁剪)。Linux內(nèi)核就是基于這個(gè)策略實(shí)現(xiàn)的。

Linux進(jìn)程采用層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)進(jìn)程都依賴于一個(gè)父進(jìn)程。內(nèi)核啟動(dòng)init程序作為第一個(gè)進(jìn)程。該進(jìn)程負(fù)責(zé)進(jìn)一步的系統(tǒng)初始化操作。init進(jìn)程是進(jìn)程樹的根，所有的進(jìn)程都直接或者間接起源于該進(jìn)程。

• 懂C語言
• 懂一點(diǎn)操作系統(tǒng)的知識(shí)
• 熟悉少量相關(guān)算法

• 懂計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

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(wù)：

1. 從技術(shù)層面講，內(nèi)核是硬件與軟件之間的一個(gè)中間層。作用是將應(yīng)用程序的請(qǐng)求傳遞給硬件，并充當(dāng)?shù)讓域?qū)動(dòng)程序，對(duì)系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件進(jìn)行尋址。
   

2. 從應(yīng)用程序的層面講，應(yīng)用程序與硬件沒有聯(lián)系，只與內(nèi)核有聯(lián)系，內(nèi)核是應(yīng)用程序知道的層次中的最底層。在實(shí)際工作中內(nèi)核抽象了相關(guān)細(xì)節(jié)。

3. 內(nèi)核是一個(gè)資源管理程序。負(fù)責(zé)將可用的共享資源(CPU時(shí)間、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)連接等)分配得到各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程。

4. 內(nèi)核就像一個(gè)庫，提供了一組面向系統(tǒng)的命令。系統(tǒng)調(diào)用對(duì)于應(yīng)用程序來說，就像調(diào)用普通函數(shù)一樣。

4. 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)策略：

1. 微內(nèi)核。最基本的功能由中央內(nèi)核（微內(nèi)核）實(shí)現(xiàn)。所有其他的功能都委托給一些獨(dú)立進(jìn)程，這些進(jìn)程通過明確定義的通信接口與中心內(nèi)核通信。

2. 宏內(nèi)核。內(nèi)核的所有代碼，包括子系統(tǒng)（如內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）都打包到一個(gè)文件中。內(nèi)核中的每一個(gè)函數(shù)都可以訪問到內(nèi)核中所有其他部分。目前支持模塊的動(dòng)態(tài)裝卸(裁剪)。Linux內(nèi)核就是基于這個(gè)策略實(shí)現(xiàn)的。

5. 哪些地方用到了內(nèi)核機(jī)制？

1. 進(jìn)程（在cpu的虛擬內(nèi)存中分配地址空間，各個(gè)進(jìn)程的地址空間完全獨(dú)立;同時(shí)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)最多不超過cpu數(shù)目）之間進(jìn)行通信，需要使用特定的內(nèi)核機(jī)制。

2. 進(jìn)程間切換(同時(shí)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)最多不超過cpu數(shù)目)，也需要用到內(nèi)核機(jī)制。進(jìn)程切換也需要像FreeRTOS任務(wù)切換一樣保存狀態(tài)，并將進(jìn)程置于閑置狀態(tài)/恢復(fù)狀態(tài)。

3. 進(jìn)程的調(diào)度。確認(rèn)哪個(gè)進(jìn)程運(yùn)行多長(zhǎng)的時(shí)間。

6. Linux進(jìn)程

1. 采用層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)進(jìn)程都依賴于一個(gè)父進(jìn)程。內(nèi)核啟動(dòng)init程序作為第一個(gè)進(jìn)程。該進(jìn)程負(fù)責(zé)進(jìn)一步的系統(tǒng)初始化操作。init進(jìn)程是進(jìn)程樹的根，所有的進(jìn)程都直接或者間接起源于該進(jìn)程。

2. 通過pstree命令查詢。實(shí)際上系統(tǒng)第一個(gè)進(jìn)程是systemd，而不是init（這也是疑問點(diǎn)）。

3. 系統(tǒng)中每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符(ID),用戶（或其他進(jìn)程）可以使用ID來訪問進(jìn)程。

1. 內(nèi)核核心代碼，包括第3章所描述的各個(gè)子系統(tǒng)和子模塊，以及其它的支撐子系統(tǒng)，例如電源管理、Linux初始化等。
   

2. 其它非核心代碼，例如庫文件（因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核是一個(gè)自包含的內(nèi)核，即內(nèi)核不依賴其它的任何軟件，自己就可以編譯通過）、固件集合、KVM（虛擬機(jī)技術(shù)）等。
   

3. 編譯腳本、配置文件、幫助文檔、版權(quán)說明等輔助性文件。

▲ Linux系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

最上面是用戶（或應(yīng)用程序）空間。這是用戶應(yīng)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(yīng)用程序和內(nèi)核之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的機(jī)制。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)閮?nèi)核和用戶空間的應(yīng)用程序使用的是不同的保護(hù)地址空間。每個(gè)用戶空間的進(jìn)程都使用自己的虛擬地址空間，而內(nèi)核則占用單獨(dú)的地址空間。

Linux 內(nèi)核可以進(jìn)一步劃分成 3 層。最上面是系統(tǒng)調(diào)用接口，它實(shí)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(dú)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(tái)的代碼。

Linux 內(nèi)核實(shí)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(gè)子系統(tǒng)。Linux 也可以看作是一個(gè)整體，因?yàn)樗鼤?huì)將所有這些基本服務(wù)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(huì)提供一些基本的服務(wù)，例如通信、I/O、內(nèi)存和進(jìn)程管理，更具體的服務(wù)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(diǎn)，不過這里并不對(duì)此進(jìn)行討論。 

隨著時(shí)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(duì)于 Linux 來說，最為有趣的是在這種大小和復(fù)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(tái)上運(yùn)行。一個(gè)例子是 Linux 可以在一個(gè)具有內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器上運(yùn)行，也可以在那些不提供 MMU 的處理器上運(yùn)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(jìn)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(dòng)程序、硬件架構(gòu)的相關(guān)代碼。

SCI 層提供了某些機(jī)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(gè)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(shí)際上是一個(gè)非常有用的函數(shù)調(diào)用多路復(fù)用和多路分解服務(wù)。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實(shí)現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結(jié)構(gòu)的部分。

進(jìn)程管理的重點(diǎn)是進(jìn)程的執(zhí)行。在內(nèi)核中，這些進(jìn)程稱為線程，代表了單獨(dú)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(jìn)程 這個(gè)術(shù)語，不過 Linux 實(shí)現(xiàn)并沒有區(qū)分這兩個(gè)概念（進(jìn)程和線程）。內(nèi)核通過 SCI 提供了一個(gè)應(yīng)用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數(shù)），停止進(jìn)程（kill、exit），并在它們之間進(jìn)行通信和同步（signal 或者 POSIX 機(jī)制）。

進(jìn)程管理還包括處理活動(dòng)進(jìn)程之間共享 CPU 的需求。內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一種新型的調(diào)度算法，不管有多少個(gè)線程在競(jìng)爭(zhēng) CPU，這種算法都可以在固定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行操作。這種算法就稱為 O(1) 調(diào)度程序，這個(gè)名字就表示它調(diào)度多個(gè)線程所使用的時(shí)間和調(diào)度一個(gè)線程所使用的時(shí)間是相同的。O(1) 調(diào)度程序也可以支持多處理器（稱為對(duì)稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進(jìn)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(gè)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(jìn)行管理的（對(duì)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(jī)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(duì) 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(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)存使用。為了支持多個(gè)用戶使用內(nèi)存，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個(gè)原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個(gè)過程稱為交換，因?yàn)轫撁鏁?huì)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(gè)方面，因?yàn)樗鼮槲募到y(tǒng)提供了一個(gè)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(gè)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(jì)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(jìn)行調(diào)用的。socket 層是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) API，它為各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化的方法來管理連接，并在各個(gè)終點(diǎn)之間移動(dòng)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(dòng)程序中，它們能夠運(yùn)轉(zhuǎn)特定的硬件設(shè)備。Linux 源碼樹提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序子目錄，這個(gè)目錄又進(jìn)一步劃分為各種支持設(shè)備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。

盡管 Linux 很大程度上獨(dú)立于所運(yùn)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(shí)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(duì)于一個(gè)典型的桌面系統(tǒng)來說，使用的是 x86 目錄。每個(gè)體系結(jié)構(gòu)子目錄都包含了很多其他子目錄，每個(gè)子目錄都關(guān)注內(nèi)核中的一個(gè)特定方面，例如引導(dǎo)、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(gè)生產(chǎn)操作系統(tǒng)和開源軟件，Linux 是測(cè)試新協(xié)議及其增強(qiáng)的良好平臺(tái)。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(kuò)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(jí)的特性（是傳輸層協(xié)議的接替者）。

Linux 還是一個(gè)動(dòng)態(tài)內(nèi)核，支持動(dòng)態(tài)添加或刪除軟件組件。被稱為動(dòng)態(tài)可加載內(nèi)核模塊，它們可以在引導(dǎo)時(shí)根據(jù)需要（當(dāng)前特定設(shè)備需要這個(gè)模塊）或在任何時(shí)候由用戶插入。

（1）用戶空間：用戶空間中又包含了，用戶的應(yīng)用程序，C庫；

（2）內(nèi)核空間：內(nèi)核空間包括，系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核，以及與平臺(tái)架構(gòu)相關(guān)的代碼。

1）現(xiàn)代CPU通常都實(shí)現(xiàn)了不同的工作模式，以ARM為例：ARM實(shí)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：

（1）用戶模式 usr 

（2）系統(tǒng)模式  sys

（3）管理模式 svc

（4）快速中斷  fiq

（5）外部中斷  irq

（6）數(shù)據(jù)訪問終止 abt

（7）未定義指令異常

以（2）X86為例：X86實(shí)現(xiàn)了4個(gè)不同級(jí)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(hù)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)）

內(nèi)核啟動(dòng)初始化時(shí)的main.c文件中的

kernel_init()→do_basic_setup()→driver_init()→platform_bus_init()→bus_register(&platform_bus_type)，注冊(cè)了一條platform總線（虛擬總線，platform_bus）。

設(shè)備注冊(cè)的時(shí)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(duì)在每個(gè)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(shí)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(shí)際就是執(zhí)行相應(yīng)設(shè)備的platform_driver→probe(platform_device)。)開始真正的探測(cè)，如果probe成功，則綁定設(shè)備到該驅(qū)動(dòng)。

從上面可以看出，platform機(jī)制最后還是調(diào)用了bus_register() , device_add() , driver_register()這三個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)。

下面看幾個(gè)結(jié)構(gòu)體：

struct platform_device           
(/include/linux/Platform_device.h)
{        
    const char *name;        
    int id;        
    struct device dev;        
    u32 num_resources;        
    struct resource *resource;
};

Platform_device結(jié)構(gòu)體描述了一個(gè)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(gè)名字一定要和后面platform_driver.driver àname相同，原因會(huì)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(jī)制的原因。

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)：

struct platform_driver              
{        
    int (*probe)(struct platform_device *);        
    int (*remove)(struct platform_device *);        
    void (*shutdown)(struct platform_device *);        
    int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);        
    int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);        
    int (*resume_early)(struct platform_device *);        
    int (*resume)(struct platform_device *);        
    struct device_driver driver;
};

Platform_driver結(jié)構(gòu)體描述了一個(gè)platform結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。其中除了一些函數(shù)指針外，還有一個(gè)一般驅(qū)動(dòng)的device_driver結(jié)構(gòu)。

上面說的驅(qū)動(dòng)在注冊(cè)的時(shí)候會(huì)調(diào)用函數(shù)bus_for_each_dev(), 對(duì)在每個(gè)掛在虛擬的platform bus的設(shè)備作__driver_attach()→driver_probe_device()，在此函數(shù)中會(huì)對(duì)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：

是比較dev和drv的name，相同則會(huì)進(jìn)入really_probe（）函數(shù)，從而進(jìn)入自己寫的probe函數(shù)做進(jìn)一步的匹配。所以dev→name和driver→drv→name在初始化時(shí)一定要填一樣的。

不同類型的驅(qū)動(dòng)，其match函數(shù)是不一樣的，這個(gè)platform的驅(qū)動(dòng)，比較的是dev和drv的名字，還記得usb類驅(qū)動(dòng)里的match嗎？它比較的是Product ID和Vendor ID。

個(gè)人總結(jié)Platform機(jī)制的好處：

1. 提供platform_bus_type類型的總線，把那些不是總線型的soc設(shè)備都添加到這條虛擬總線上。使得，總線——設(shè)備——驅(qū)動(dòng)的模式可以得到普及。

2. 提供platform_device和platform_driver類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的device和driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嵌入其中，并且加入resource成員，以便于和Open Firmware這種動(dòng)態(tài)傳遞設(shè)備資源的新型bootloader和kernel 接軌。

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(yùn)行時(shí)加載和卸載，這意味著您可以動(dòng)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(yùn)行服務(wù)器進(jìn)程的模塊，比如低級(jí)別虛擬化，但也可以替換整個(gè)內(nèi)核，而不需要在某些情況下重啟計(jì)算機(jī)。

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(kuò)展名是.ko，通常存儲(chǔ)在/lib/modules目錄中。由于模塊的特性，您可以通過在啟動(dòng)時(shí)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(dòng)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(rèn)情況下可能無法安裝，因?yàn)檫@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(fèi)的，但它們不像speech那樣是免費(fèi)的，因此不包括在一些發(fā)行版中，因?yàn)榫S護(hù)人員認(rèn)為它通過提供非免費(fèi)軟件“污染”了內(nèi)核。

內(nèi)核并不神奇，但對(duì)于任何正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)來說，它都是必不可少的。Linux內(nèi)核不同于OS X和Windows，因?yàn)樗瑑?nèi)核級(jí)別的驅(qū)動(dòng)程序，并使許多東西“開箱即用”。希望您能對(duì)軟件和硬件如何協(xié)同工作以及啟動(dòng)計(jì)算機(jī)所需的文件有更多的了解。