Linux内核（一）–基础概念及学习路线

Linux内核（一）–基础概念

一、Linux体系结构

嵌入式应用基本在Linux操作系统上运行，有类似的三层结构：

硬件：物理机（这是系统的底层结构或基础）是由内存（RAM）、处理器（或 CPU）以及输入/输出（I/O）设备（例如存储、网络和图形）组成的。其中，CPU 负责执行计算和内存的读写操作。
Linux 内核：操作系统的核心。（没错，内核正处于核心的位置）它是驻留在内存中的软件，用于告诉 CPU 要执行哪些操作。
用户可执行程序：用户进程共同构成了用户空间。用户进程有时也简称为进程。内核还允许这些进程和服务器彼此进行通信（称为进程间通信或 IPC）。

1、Linux体系结构

Linux体系结构可以分为用户空间、内核空间两块。

用户空间：包含了用户应用程序和C库；
内核空间：包括系统调用，内核，以及与平台架构相关的代码；内核对用户是不可见的。

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，用户空间和内核空间的区分主要是为了系统的安全防护。

二、Linux内核

linux内核代码涉及知识点包括汇编指令、c语言、硬件组成原理、操作系统、数据结构和算法、各种外设总线、驱动、网络协议栈。

Linux内核的主要组件有：系统调用接口、进程管理、虚拟文件系统（VFS）、网络堆栈、设备驱动程序、硬件架构等。

系统调用接口：SCI层提供了某些机制执行从用户空间到内核空间的函数调用；这个接口依赖于体系结构，在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的实现，并在 ./linux/arch 中找到依赖于体系结构的部分。
进程管理：内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal 或者 POSIX 机制）。
1. 进程基础：进程原理及状态、生命周期及系统调用、task_struct数据结构；
2. 进程调度：调度策略、进程优先级、调度类分析、SMP调度；
内存管理：Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。管理虚拟内存是按照所谓的内存页方式进行管理的。为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。
1. 内存原理：SMP/NUMA模型组织、页表/页表缓存、CPU缓存、内存映射；
2. 虚拟内存：伙伴分配器、块分配器、巨型页、页回收、页错误异常处理与反碎片技术、连续内存分配技术原理、不连续页分配器原理与实现；
3. 内存系统调用：kmalloc/vmalloc、内存池原理与实现、内存优化与实现
虚拟文件系统：它为用户程序提供文件和文件系统操作的统一接口，屏蔽不同文件系统的差异和操作细节。借助VFS可以直接使用open()、read()、write()这样的系统调用操作文件，而无须考虑具体的文件系统和实际的存储介质。通过VFS系统，Linux提供了通用的系统调用，可以跨越不同文件系统和介质之间执行，极大简化了用户访问不同文件系统的过程。另一方面，新的文件系统、新类型的存储介质，可以无须编译的情况下，动态加载到Linux中。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。VFS属于Linux文件系统，包括：
1. 虚拟文件系统：通用文件模型、数据结构、文件系统调用、挂载文件系统、无存储文件系统；
2. 磁盘文件系统：Ext2/Ext3/Ext4文件系统、日志JBD2
3. 用户空间系统：FUSE原理机制/接口与实现
网络堆栈（网络协议栈）：Internet Protocol (IP) 是传输协议（通常称为传输控制协议或 TCP）下面的核心网络层协议。TCP 上面是 socket 层，它是通过 SCI 进行调用的。socket 层是网络子系统的标准 API，它为各种网络协议提供了一个用户接口。从原始帧访问到 IP 协议数据单元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 层提供了一种标准化的方法来管理连接，并在各个终点之间移动数据。内核中网络源代码可以在 ./linux/net 中找到。
1. 网络基础架构：SKB/net_device、网络层分析、Linux邻近子系统、netlink套接字、iptables套接字、netfilter框架、内核NIC接口分析、mac80211无线子系统；
2. 网络协议栈：internet控制消息协议（ICMP）、用户数据报协议（UDP）、传输控制协议（TCP）、流控制传输协议（SCTP）、数据报拥塞控制协议（DCCP）、IPv4路由选择子系统、组播/策略/多路径路由选择、接收/发送（IPv4/IPv6）数据报、infiniBand栈的架构；
3. 系统API调用：POSIX网络API调用、epoll内核原理与实现、网络系统参数配置；
设备驱动：
1. 设备子系统：I/O机制原理、设备模型、字符设备子系统、网络接口卡驱动；
2. Linux设备模型：LDM、设备模型和sysfs；
3. 字符设备驱动：主设备与次设备、设备文件操作、分配与注册字符设备、写文件操作实现；
4. 网卡设备驱动：数据结构、设备方法、驱动程序；
5. 块设备驱动：资源管理、I/O调度、BIO结构原理、PCI总线原理；
体系结构代码：./linux/arch 子目录定义了内核源代码中依赖于体系结构的部分，其中包含了各种特定于体系结构的子目录（共同组成了 BSP）。

1、Linux内核源代码代码目录

include/ ---- 内核头文件，需要提供给外部模块（例如用户空间代码）使用。
kernel/ ---- Linux内核的核心代码，包含了进程调度子系统，以及和进程调度相关的模块。
mm/ ---- 内存管理子系统。
fs/ ---- VFS子系统
net/ ---- 不包括网络设备驱动的网络子系统。
ipc/ ---- IPC（进程间通信）子系统。
arch// ---- 体系结构相关的代码，例如arm, x86等等。 
arch//mach- ---- 具体的machine/board相关的代码。 
arch//include/asm ---- 体系结构相关的头文件。 
arch//boot/dts ---- 设备树（Device Tree）文件。
init/ ---- Linux系统启动初始化相关的代码。 
block/ ---- 提供块设备的层次。 
sound/ ---- 音频相关的驱动及子系统，可以看作“音频子系统”。 
drivers/ ---- 设备驱动（在Linux kernel 3.10中，设备驱动占了49.4的代码量）。
lib/ ---- 实现需要在内核中使用的库函数，例如CRC、FIFO、list、MD5等。 
crypto/ ----- 加密、解密相关的库函数。 
security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。 
virt/ ---- 提供虚拟机技术（KVM等）的支持。 
usr/ ---- 用于生成initramfs的代码。 
firmware/ ---- 保存用于驱动第三方设备的固件。
samples/ ---- 一些示例代码。 
tools/ ---- 一些常用工具，如性能剖析、自测试等。
Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于内核编译的配置文件、脚本等。
COPYING ---- 版权声明。 
MAINTAINERS ----维护者名单。 
CREDITS ---- Linux主要的贡献者名单。 
REPORTING-BUGS ---- Bug上报的指南。
Documentation, README ---- 帮助、说明文档。

2、Linux内核学习线路推荐

Linux内核分为CPU调度、内存管理、网络和存储四大子系统，针对硬件的驱动成百上千。代码的数量更是大的惊人。选择3.10版本之后的代码阅读学习。

Linux驱动架构
Linux网络子系统
Linux内核启动过程

从最基本的字符设备学起，学习如何编写一个简单的模块，学习如何为一些简单的设备如LED、ADC等编写驱动。

Linux内存管理机制
Linux调度器
Linux进程管理
Linux虚拟机制（KVM）
何编写一个简单的模块，学习如何为一些简单的设备如LED、ADC等编写驱动。
Linux内存管理机制
Linux调度器
Linux进程管理
Linux虚拟机制（KVM）
Linux内核实时化技术