Linux核心的整體架構

tinylaker發表於2018-10-18
Linux架構

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本文轉載自 http://www.wowotech.net/linux_kenrel/11.html

1.前言

本文是“Linux核心分析”系列文章的第一篇，會以核心的核心功能為出發點，描述Linux核心的整體架構，以及架構之下主要的軟體子系統。之後，會介紹Linux核心原始檔的目錄結構，並和各個軟體子系統對應。

注：本文和其它的“Linux核心分析”文章都基於如下約定：

a) 核心版本為Linux 3.10.29（該版本是一個long term的版本，會被Linux社群持續維護至少2年），可以從下面的連結獲取：https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.10.29.tar.xz

b) 鑑於嵌入式系統大多使用ARM處理器，因此涉及到體系結構部分的內容，都以ARM為分析物件

2.Linux核心的核心功能

如下圖所示，Linux核心只是Linux作業系統一部分。對下，它管理系統的所有硬體裝置；對上，它通過系統呼叫，向Library Routine（例如C庫）或者其它應用程式提供介面。

因此，其核心功能就是：管理硬體裝置，供應用程式使用。而現代計算機（無論是PC還是嵌入式系統）的標準組成，就是CPU、Memory（記憶體和外存）、輸入輸出裝置、網路裝置和其它的外圍裝置。所以為了管理這些裝置，Linux核心提出瞭如下的架構。

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3.Linux核心的整體架構

3.1 整體架構和子系統劃分

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上圖說明了Linux核心的整體架構。根據核心的核心功能，Linux核心提出了5個子系統，分別負責如下的功能：

  • Process Scheduler，也稱作程式管理、程式排程。負責管理CPU資源，以便讓各個程式可以以儘量公平的方式訪問CPU。

  • Memory Manager，記憶體管理。負責管理Memory（記憶體）資源，以便讓各個程式可以安全地共享機器的記憶體資源。另外，記憶體管理會提供虛擬記憶體的機制，該機制可以讓程式使用多於系統可用Memory的記憶體，不用的記憶體會通過檔案系統儲存在外部非易失儲存器中，需要使用的時候，再取回到記憶體中。

  • VFS（Virtual File System），虛擬檔案系統。Linux核心將不同功能的外部裝置，例如Disk裝置（硬碟、磁碟、NAND Flash、Nor Flash等）、輸入輸出裝置、顯示裝置等等，抽象為可以通過統一的檔案操作介面（open、close、read、write等）來訪問。這就是Linux系統“一切皆是檔案”的體現（其實Linux做的並不徹底，因為CPU、記憶體、網路等還不是檔案，如果真的需要一切皆是檔案，還得看貝爾實驗室正在開發的”Plan 9”的）。

  • Network，網路子系統。負責管理系統的網路裝置，並實現多種多樣的網路標準。

  • IPC（Inter-Process Communication），程式間通訊。IPC不管理任何的硬體，它主要負責Linux系統中程式之間的通訊。

3.2 程式排程（Process Scheduler)

程式排程是Linux核心中最重要的子系統，它主要提供對CPU的訪問控制。因為在計算機中，CPU資源是有限的，而眾多的應用程式都要使用CPU資源，所以需要“程式排程子系統”對CPU進行排程管理。

程式排程子系統包括4個子模組（見下圖），它們的功能如下：

scheduler

  • Scheduling Policy，實現程式排程的策略，它決定哪個（或哪幾個）程式將擁有CPU。

  • Architecture-specific Schedulers，體系結構相關的部分，用於將對不同CPU的控制，抽象為統一的介面。這些控制主要在suspend和resume程式時使用，牽涉到CPU的暫存器訪問、彙編指令操作等。

  • Architecture-independent Scheduler，體系結構無關的部分。它會和“Scheduling Policy模組”溝通，決定接下來要執行哪個程式，然後通過“Architecture-specific Schedulers模組”resume指定的程式。

  • System Call Interface，系統呼叫介面。程式排程子系統通過系統呼叫介面，將需要提供給使用者空間的介面開放出去，同時遮蔽掉不需要使用者空間程式關心的細節。

3.3 記憶體管理（Memory Manager, MM)

記憶體管理同樣是Linux核心中最重要的子系統，它主要提供對記憶體資源的訪問控制。Linux系統會在硬體實體記憶體和程式所使用的記憶體（稱作虛擬記憶體）之間建立一種對映關係，這種對映是以程式為單位，因而不同的程式可以使用相同的虛擬記憶體，而這些相同的虛擬記憶體，可以對映到不同的實體記憶體上。

記憶體管理子系統包括3個子模組（見下圖），它們的功能如下：

mman

  • Architecture Specific Managers，體系結構相關部分。提供用於訪問硬體Memory的虛擬介面。

  • Architecture Independent Manager，體系結構無關部分。提供所有的記憶體管理機制，包括：以程式為單位的memory mapping；虛擬記憶體的Swapping。

  • System Call Interface，系統呼叫介面。通過該介面，向使用者空間程式應用程式提供記憶體的分配、釋放，檔案的map等功能。

3.4 虛擬檔案系統（Virtual Filesystem, VFS）

傳統意義上的檔案系統，是一種儲存和組織計算機資料的方法。它用易懂、人性化的方法（檔案和目錄結構），抽象計算機磁碟、硬碟等裝置上冰冷的資料塊，從而使對它們的查詢和訪問變得容易。因而檔案系統的實質，就是“儲存和組織資料的方法”，檔案系統的表現形式，就是“從某個裝置中讀取資料和向某個裝置寫入資料”。

隨著計算機技術的進步，儲存和組織資料的方法也是在不斷進步的，從而導致有多種型別的檔案系統，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而為了相容，作業系統或者核心，要以相同的表現形式，同時支援多種型別的檔案系統，這就延伸出了虛擬檔案系統（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各種各樣的檔案系統，遮蔽它們的差異，以統一的方式，為使用者程式提供訪問檔案的介面。

我們可以從磁碟、硬碟、NAND Flash等裝置中讀取或寫入資料，因而最初的檔案系統都是構建在這些裝置之上的。這個概念也可以推廣到其它的硬體裝置，例如記憶體、顯示器（LCD）、鍵盤、串列埠等等。我們對硬體裝置的訪問控制，也可以歸納為讀取或者寫入資料，因而可以用統一的檔案操作介面訪問。Linux核心就是這樣做的，除了傳統的磁碟檔案系統之外，它還抽象出了裝置檔案系統、記憶體檔案系統等等。這些邏輯，都是由VFS子系統實現。

VFS子系統包括6個子模組（見下圖），它們的功能如下：

vfs

  • Device Drivers，裝置驅動，用於控制所有的外部裝置及控制器。由於存在大量不能相互相容的硬體裝置（特別是嵌入式產品），所以也有非常多的裝置驅動。因此，Linux核心中將近一半的Source Code都是裝置驅動，大多數的Linux底層工程師（特別是國內的企業）都是在編寫或者維護裝置驅動，而無暇估計其它內容（它們恰恰是Linux核心的精髓所在）。

  • Device Independent Interface， 該模組定義了描述硬體裝置的統一方式（統一裝置模型），所有的裝置驅動都遵守這個定義，可以降低開發的難度。同時可以用一致的形勢向上提供介面。

  • Logical Systems，每一種檔案系統，都會對應一個Logical System（邏輯檔案系統），它會實現具體的檔案系統邏輯。

  • System Independent Interface，該模組負責以統一的介面（快裝置和字元裝置）表示硬體裝置和邏輯檔案系統，這樣上層軟體就不再關心具體的硬體形態了。

  • System Call Interface，系統呼叫介面，向使用者空間提供訪問檔案系統和硬體裝置的統一的介面。

3.5 網路子系統（Net）

網路子系統在Linux核心中主要負責管理各種網路裝置，並實現各種網路協議棧，最終實現通過網路連線其它系統的功能。在Linux核心中，網路子系統幾乎是自成體系，它包括5個子模組（見下圖），它們的功能如下：

net

  • Network Device Drivers，網路裝置的驅動，和VFS子系統中的裝置驅動是一樣的。

  • Device Independent Interface，和VFS子系統中的是一樣的。

  • Network Protocols，實現各種網路傳輸協議，例如IP, TCP, UDP等等。

  • Protocol Independent Interface，遮蔽不同的硬體裝置和網路協議，以相同的格式提供介面（socket)。

  • System Call interface，系統呼叫介面，向使用者空間提供訪問網路裝置的統一的介面。

至於IPC子系統，由於功能比較單純，這裡就不再描述了。

4.Linux核心原始碼的目錄結構

Linux核心原始碼包括三個主要部分：

  1. 核心核心程式碼，包括第3章所描述的各個子系統和子模組，以及其它的支撐子系統，例如電源管理、Linux初始化等
  2. 其它非核心程式碼，例如庫檔案（因為Linux核心是一個自包含的核心，即核心不依賴其它的任何軟體，自己就可以編譯通過）、韌體集合、KVM（虛擬機器技術）等
  3. 編譯指令碼、配置檔案、幫助文件、版權說明等輔助性檔案

下圖示使用ls命令看到的核心原始碼的頂層目錄結構，具體描述如下。

kernel_src_tree

include/ ---- 核心標頭檔案，需要提供給外部模組（例如使用者空間程式碼）使用。

kernel/ ---- Linux核心的核心程式碼，包含了3.2小節所描述的程式排程子系統，以及和程式排程相關的模組。

mm/ ---- 記憶體管理子系統（3.3小節）。

fs/ ---- VFS子系統（3.4小節）。

net/ ---- 不包括網路裝置驅動的網路子系統（3.5小節）。

ipc/ ---- IPC（程式間通訊）子系統。

arch// ---- 體系結構相關的程式碼，例如arm, x86等等。 
    arch//mach- ---- 具體的machine/board相關的程式碼。 
    arch//include/asm ---- 體系結構相關的標頭檔案。 
    arch//boot/dts ---- 裝置樹（Device Tree）檔案。

init/ ---- Linux系統啟動初始化相關的程式碼。 
block/ ---- 提供塊裝置的層次。 
sound/ ---- 音訊相關的驅動及子系統，可以看作“音訊子系統”。 
drivers/ ---- 裝置驅動（在Linux kernel 3.10中，裝置驅動佔了49.4的程式碼量）。

lib/ ---- 實現需要在核心中使用的庫函式，例如CRC、FIFO、list、MD5等。 
crypto/ ----- 加密、解密相關的庫函式。 
security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。 
virt/ ---- 提供虛擬機器技術（KVM等）的支援。 
usr/ ---- 用於生成initramfs的程式碼。 
firmware/ ---- 儲存用於驅動第三方裝置的韌體。

samples/ ---- 一些示例程式碼。 
tools/ ---- 一些常用工具，如效能剖析、自測試等。

Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用於核心編譯的配置檔案、指令碼等。

COPYING ---- 版權宣告。 
MAINTAINERS ----維護者名單。 
CREDITS ---- Linux主要的貢獻者名單。 
REPORTING-BUGS ---- Bug上報的指南。

Documentation, README ---- 幫助、說明文件。

5.附錄

5.1 參考資料

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