Linux内核总述

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Linux内核
1.Linux内核主要由进程调度(SCHED)、内存管理(MM)、虚拟文件系统(VFS)、网络接口(NET)和进程通信(IPC)五个子系统组成。
1.1进程调度控制系统中的多个进程对CPU的访问，使得多个进程能在CPU中”微观串行，宏观并行”地执行。
1.2内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域，当CPU提供内存管理单元(MMU)时，Linux内存管理完成为每个进程进行虚拟内存到物理内存的转换。一般而言，Linux的每一个进程享有4GB的内存空间，0-3GB为用户空间，3-4GB为内核空间，这 1GB的内核空间又被划分为物理内存映射区、虚拟内存分配区、高端页面映射区和系统保留映射区。物理内存映射区最大长度为896MB，系统物理内存0-896MB就映射到这个物理内存映射区，系统物理内存大于896MB的数据属于高端内存，会被映射到高端页面映射区。由此可见，在3-4GB的内核空间中，从低地址到高地址依次为：物理内存映射区，隔离带，虚拟内存分配区，隔离带，高端内存映射区，专用页面映射区和保留区。
为了了解内存管理单元MMU，我们还需要知道TLB(块表)和TTW(转换表漫游，又叫慢表，当TLB中没有缓冲对应的地址转换关系时，需要通过多级页表的访问来获得虚拟地址和物理地址的对应关系，TTW成功后，结果写入TLB)。
1.3虚拟文件系统隐藏各种硬件的具体细节，为所有的设备提供统一的接口。
1.4网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。
1.5进程通信支持提供进程之间的通信，包括信号量、共享内存、管道等。
 
2.Linux内核五个部分的关系
第一，进程调度和内存管理之间的关系：相互依赖，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程第一件事就是将程序和数据装入内核。第二，进程通信与内存管理的关系：进程间通信需要依靠内存管理支持共享内存机制。第三，虚拟文件系统和网络接口的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统(NFS)，也利用内存管理支持RAMDISK设备。第四，虚拟文件系统与内存管理的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，当一个进程存储的内存映射被换出时，内存管理向文件系统发出请求，同时挂起当前正在运行的进程。
 
Linux内核的引导
1.Boot Loader 的主要任务
依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。 
2.Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)： 
(1) 硬件设备初始化。
(2)为加载 Boot Loader 的 stage2 准备 RAM 空间。
(3)拷贝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空间中。
(4)设置好堆栈（sp）。
(5)跳转到 stage2 的 C 入口点（IP）。 
3.Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：
(1)初始化本阶段要使用到的硬件设备。
(2)检测系统内存映射(memory map)。
(3)将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中。
(4)为内核设置启动参数。
(5)调用内核。
4.嵌入式系统在复位后就直接运行bootloader，当bootloader的控制权被释放，内核阶段就开始了，内核在进行一些初始化操作之后，就调用/init/main.c中的start_kernel函数，该函数会调用一系列初始化函数来设置中断，执行进一步的内存配置。之后，/arch/i386/kernel/process.c中kernel_thread被调用以启动第一个核心线程，该线程执行init函数，作为核心线程的init函数完成外设及其驱动程序的加载和初始化，挂接跟文件系统，搜索init程序的顺序是/sbin/init、/etc/init、/bin/init和/bin/sh。
 
处理器
中央处理器体系架构可以分为两类：冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺依曼结构把程序和操作数都放在同一个存储器中，这个存储器通过总线与处理器相连，而哈佛结构是把程序放在程序存储器内，通过程序总线与处理器相连，然后把操作数放在操作数存储器中，通过操作数总线与处理器相连。
中央处理器从指令的角度也可以分为RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)。
中央处理器按应用领域可以分为通用处理器(GPP)、数字信号处理器(DSP)和专用处理器及ASIC。其中GPP包括MCU(微控制器，又叫单片机)和(MPU微处理器)；DSP包括定点DSP和浮点DSP。
 
存储器
存储器分为非易失性存储器(NVM)和RAM。其中NVM包括ROM、flash和光磁介质存储器；RAM包括SRAM、DRAM和特定应用的RAM。
NOR Flash：Intel公司，程序可以直接在NOR内运行。
NAND Flash：东芝公司，NAND以块方式进行访问，不支持芯片内执行，容量大，价格低，擦写次数和速度以及编程速度远超NOR。但是会出错，应用ECC检查错误。
 
其他
1.阻塞I/O意味着一直等待设备可访问后再访问，非阻塞I/O中使用poll函数意味着查询设备是否可访问，异步通知使用fasync函数意味着设备通知自身可访问，阻塞和非阻塞都属于同步。
2.中断根据中断入口跳转的方法不同，分为向量中断和非向量中断，向量中断是由硬件提供中断服务程序的入口地址，非向量中断由软件提供中断服务的入口地址(比如系统调用时的int $80中断)。