Linux内核的整体架构

转自：http://www.wowotech.net/linux_kenrel/11.html

1. 前言

本文是Linux内核系列的第一篇，会以内核的核心功能为出发点，描述Linux内核的整体架构，以及架构之下主要的软件子系统。之后，会介绍Linux内核源文件的目录结构，并和各个软件子系统对应。

备注：本文和其他的Linux内核分析都基于如下约定：

a.内核版本为Linux3.10.29；

b.鉴于嵌入式系统大多使用ARM架构处理器，因此涉及到体系结构部分的内容，都以ARM为分析对象。

    2. Linux内核的核心功能

如下图所示，Linux内核只是Linux操作系统的一部分。对下，它管理系统的所有硬件设备；对上，它通过系统调用，向C库或其它应用程序提供接口。

因此，其核心功能就是：管理硬件设备，供应用程序使用。而现代计算机的标准组成，就是CPU，Memory(内存和外存)，输入输出设备，网络设备和其它外围设备。所以为了管理这些设备，Linux内核提出了如下的架构。

    3. Linux内核的整体架构

        3.1. 整体架构和子系统划分

上图说明了Linux内核的整体架构。根据内核的核心功能，Linux内核提出了5个子系统，分别负责如下的功能：

    1.Process Scheduler：也称作进程管理、进程调度。负责管理CPU资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。

    2.Memory Manager：内存管理。负责管理Memory资源，以便让各个进程可以安全的共享机器的内存资源。另外，内存管理会提供虚拟内存管理机制，该机制可以让进程使用多于系统可用的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失性存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。

    3.VFS(Virtual File System)：虚拟文件系统。Linux内核将不同功能的外部设备，例如，磁盘、输入输出设备、显示设备等，抽象为可以通过统一的文件操作接口(open、close、read、write)来访问。这是Linux系统一切皆文件的体现。

    4.NetWork：网络子系统。负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。

    5.IPC：进程间通信。IPC不管理任何的硬件，它主要负责Linux系统中进程之间的通信。

        3.2. 进程调度

进程调度是Linux系统中最重要的子系统，它主要提供CPU的访问控制。因为在计算机中，CPU资源是有限，而众多的应用程序都要使用CPU资源，所以需要“进程调度子系统”对CPU进程调度进行管理。

进程调度子系统包括4个子模块，它们功能如下：

1.Scheduling Policy：实现进程调度的策略；它决定那个(或那几个)进程将拥有CPU。

2.Architecture Specific Schedulers：体系结构相关的部分，用于将对不同的CPU控制，抽象为统一的接口，这些控制主要在suspend和resume进程时使用，牵涉到CPU的寄存器访问、汇编指令的操作等。

3.Architecture Independent Schedulers：体系结构无关的部分，它会和“Scheduling Policy”模块沟通，决定接下来要执行那个进程。

4.System Call Interface：系统调用接口。进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。

        3.3. 内存管理

内存管理同样是Linux内核中最重要的子系统，它主要提供对内存资源的访问控制。Linux会在硬件物理内存和进程所使用的内存之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位的，因而不同的进程可以使用不同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到相同的物理内存上。

内存管理子系统包括3个子模块，如下图所示：

1.Architecture Specific Managers：体系结构相关的部分，提供用于访问硬件Memory的虚拟接口。

2.Architecture Independent Manager：体系结构无关的部分，提供所有的内存管理机制，包括：以进程为单位的mapping；虚拟内存的Swapping。

3.System Call Interface：系统调用接口，通过该接口，向用户空间应用程序提供内存的分配、释放，文件的map等功能。

        3.4.虚拟文件系统

传统意义上的文件系统，是一种存储和组织计算机数据的方法。它用易懂、人性化的方法，抽象计算机磁盘，硬盘等设备上的数据块，从而使他们的查找和访问变得容易。因而，文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备中写入数据”。

随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而为了兼容，操作系统或内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统的概念，VFS的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽他们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。

我们可以从磁盘、硬盘、NAND Flash等设备中读取或写入数据，因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其他的硬件设备，例如，内存、显示器、键盘、串口等。我们对硬件的访问控制，也可以归纳为读取或写入数据，因而也可以用统一的文件操作接口访问。Linux内核就是这样做的，除了传统的磁盘文件系统之外，它还抽象除了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑都是由VFS子系统实现。

VFS子系统包括6个子模块，见下图，它们的功能如下：

1.Device Drivers：设备驱动。用于控制外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备，所以也有非常多设备驱动。因此，Linux内核中将近一半的Source Code是设备驱动，大多数的Linux底层工程师都在编写或者维护设备驱动，而无暇顾及其它内容(它们恰恰是Linux内核的精髓所在)。

2.Device Independent Interface：该模块定义了描述硬件设备的统一方式(统一设备模型)，所有的设备驱动程序都遵循这个定义，可以降低开放难度，同时可以用一致的的形式向上提供接口。

3.Logical Systems：每一种文件系统，都会对应一个逻辑系统，它会实现具体的文件系统逻辑。

4.System Independent Interface：该模块负责以统一的接口(块设备和字符设备)表示硬件设备和逻辑文件系统，这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。

5.System Call Interface：系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。

        3.5. 网络子系统

网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其他系统的功能。在Linux内核中，网络子系统几乎是自成体系，它包括5个子模块，它们的功能如下：

1.NetWork Device Drivers：网络设备的驱动，和VFS子系统中的设备驱动是一样的。

2.Device Independent Interface：和VFS子系统中的是一样的。

3.NetWork Protocols：实现各种网络传输协议，例如IP、TCP、UDP等。

4.Protocol Independent Interface：屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口。

5.System Independent Interface：系统调用接口，向用户空间提供访问网络设备的统一接口。

至于IPC子系统，由于功能比较单纯，这里就不再描述了。

    4.Linux内核源代码的目录结构：

Linux内核源代码包括三个主要部分：

1.内核核心代码，包括第三章描述的各个子系统和子模块，以及其它的支撑子模块，例如电源管理、内存初始化等。

2.其它非核心代码，例如库文件。

3.编译脚本、配置文件、帮助文档、版权说明等辅助性文件。

下面使用ls命令看到的内核源代码的顶层目录结构，具体描述如下：

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；

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。