Linux内核简介、子系统及分类

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　　一、内核简介

　　内核：在计算机科学中是一个用来管理软件发出的数据I/O(输入与输出)要求的计算机程序，将这些要求转译为数据处理的指令并交由中央处理器(CPU)及计算机中其他电子组件进行处理，是现代操作系统中最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并由内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的。所以内核通常提供一种硬件抽象的方法，来完成这些操作。通过进程间通信机制及系统调用，应用进程可间接控制所需的硬件资源(特别是处理器及IO设备)。

　　图1：GNU/Linux 操作系统的基本体系结构

　　最上面是用户(或应用程序)空间。这是用户应用程序执行的地方。用户空间之下是内核空间，Linux 内核正是位于这里。

　　GNU C Library (glibc)也在这里。它提供了连接内核的系统调用接口，还提供了在用户空间应用程序和内核之间进行转换的机制。这点非常重要，因为内核和用户空间的应用程序使用的是不同的保护地址空间。每个用户空间的进程都使用自己的虚拟地址空间，而内核则占用单独的地址空间。

　　Linux 内核可以进一步划分成 3 层。最上面是系统调用接口，它实现了一些基本的功能，例如 read 和 write。系统调用接口之下是内核代码，可以更精确地定义为独立于体系结构的内核代码。这些代码是 Linux 所支持的所有处理器体系结构所通用的。在这些代码之下是依赖于体系结构的代码，构成了通常称为 BSP(Board Support Package)的部分。这些代码用作给定体系结构的处理器和特定于平台的代码。

　　二、Linux内核的子系统

　　图2：Linux 内核的一个体系结构透视图

　　2.1 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的函数调用。这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。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。

　　2.2 进程管理

　　进程管理的重点是进程的执行。在内核中，这些进程称为线程，代表了单独的处理器虚拟化(线程代码、数据、堆栈和 CPU 寄存器)。在用户空间，通常使用进程 这个术语，不过 Linux 实现并没有区分这两个概念(进程和线程)。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)。

　　2.3 内存管理

　　内核所管理的另外一个重要资源是内存。为了提高效率，如果由硬件管理虚拟内存，内存是按照所谓的内存页 方式进行管理的(对于大部分体系结构来说都是 4KB)。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。

　　2.4 虚拟文件系统

　　虚拟文件系统(VFS)是 Linux 内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。

　　图3：VFS 在用户和文件系统之间提供了一个交换层

　　在 VFS 上面，是对诸如 open、close、read 和 write 之类的函数的一个通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统(超过 50 个)的插件。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。

　　文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集(与具体文件系统无关)。这个缓存层通过将数据保留一段时间(或者随即预先读取数据以便在需要是就可用)优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

　　2.5 网络堆栈郑州心理疾病医院http://www.hyde8871.com/

　　网络堆栈在设计上遵循模拟协议本身的分层体系结构。回想一下，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。

　　2.6 设备驱动程序

　　inux 内核中有大量代码都在设备驱动程序中，它们能够运转特定的硬件设备。Linux 源码树提供了一个驱动程序子目录，这个目录又进一步划分为各种支持设备，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。设备驱动程序的代码可以在 ./linux/drivers 中找到。

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