详解Linux体系结构和内核结构

Linux体系结构

如下图所示，linux体系结构，从大的方面可以分为用户空间（user space）和内核空间（kernel space）。

用户空间包括C库和用户的应用程序，有些体系结构图中还包括shell，当然shell脚本也是Linux体系中不可或缺的一部分。

内核空间包括硬件平台、平台依赖代码、内核和系统调用接口。

在任何一个现代操作系统中，都是分层的。为什么需要分层呢？从程序员的角度来看，将Linux底层和应用程序分开可以让各自专注于自己的领域，从而提高效率。从安全性的角度来看，分层是为了保护内核。现代CPU通常实现了不同的工作模式，例如ARM实现了7种工作模式，不同模式下CPU可以执行的指令或访问的寄存器不同。如果所有的上层应用程序都可以随意调用寄存器，那么操作系统就无法稳定地执行。因此，操作系统出现了一个新的学科——“现代操作系统”。

在X86架构中，实现了4个不同级别的权限，即Ring0到Ring3。在Ring0权限下，可以执行特权指令，可以访问IO设备，而在Ring3权限下则有很多限制。

Android做的更加“丧心病狂”，所有的APK应用程序都在Java虚拟机上运行，应用程序更加远离底层。

此外，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。

Linux内核结构

这一节，分析一下内核结构。

如下图所示，是Linux内核结构图。

SCI层（System Call Interface），这一层是给应用用户空间提供一套标准的系统调用函数来访问Linux。前面分析Linux体系结构的时候，介绍过任何一类现代操作系统都不会允许上层应用直接访问底层，在Linux中，内核提供了一套标准接口，上层应用就可以通过这一套标准接口来访问底层。

PM（Procees Management），这一部分包括具体创建创建进程（fork、exec）,停止进程（kill、exit）,并控制他们之间的通信（signal等）。还包括进程调度，控制活动进程如何共享CPU。这一部分是Linux已经做好的，在写驱动的时候，只需要调用对应的函数即可实现这些功能，例如创建进程、进程通信等等。

MM（Memory Management），内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享内存区域。

VFS（Virtual File Systems），虚拟文件系统，隐藏各种文件系统的具体细节，为文件操作提供统一的接口。在Linux中“一切皆文件”，这些文件就是通过VFS来实现的。Linux提供了一个大的通用模型，使这个模型包含了所有文件系统功能的集合。如下图所示，是一个虚拟文件系统的结构图。

Device Drivers设备驱动，这一部分就是需要学习和掌握的。Linux内核中有大量的代码在设备驱动程序部分，用于控制特定的硬件设备。

Linux驱动一般分为网络设备、块设备、字符设备、杂项设备，需要我们编写的只有字符设备，杂项设备是不容易归类的一种驱动，杂项设备和字符设备有很多重合的地方。

网络协议栈，Linux内核中提供了丰富的网络协议实现。

在学习Linux驱动之前需要理解和掌握linux体系结构和Linux内核结构

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