目錄

0 引言

1 Linux體系結構

2 Linux內核結構

3 Linux內核原始碼目錄結構

4 小結

0 引言

學習嵌入式Linux，之前也說過，包括幾部分：應用開發、驅動開發、內核開發，我們后面的大部分博文都會圍繞在Linux驅動開發展開，但是Linux內核有和驅動開發相關聯的東西，所以，本博文主要對Linux內核進行提綱挈領，有個總體的認知，內容包括：Linux體系結構、Linux內核結構、Linux內核原始碼目錄結構，

1 Linux體系結構

Linux體系分為兩大塊：內核空間（系統呼叫介面、內核、平臺支持代碼、硬體支持）、用戶空間（用戶應用、C庫），之所以這樣劃分是有一定道理的，原因如下：

1）架構分層，開發高效：將Linux底層和應用分開了，應用開發的工程師做自己的應用開發，底層硬體驅動工程師做自己的驅動開發，在大型專案中，各司其職，協作效率高，

2）保護內核，安全第一：Linux內核是整個Linux體系結構的核心，其主要做的事就是行程調度、記憶體管理、虛擬檔案系統、網路介面等等，這些很多涉及到硬體的直接操作，要是我們隨便上一個應用都能直接對底層呼叫，那就容易亂套了，稍微一個應用崩潰，可能整個系統都不穩定了，很多CPU都有不同的作業模式限定可以執行的指令或訪問的暫存器不同，像ARM有7種模式，X86有Ring0-3 4個不同的級別權限，Android應用更是放在JVM（Java虛擬機）上運行，遠離底層，

2 Linux內核結構

此處說的Linux內核結構，就是第一節內容中Linux體系結構中內核空間的Kernel，內核的結構如下圖所示，各模塊簡介如下，我們主要關注的其實是Device Drivers設備驅動，其他部分內核已經是做好了的，現階段了解即可，

1）System Call Interface：SCI層，為用戶空間提供一套標準的系統呼叫函式訪問Linux內核；

2）Process Management：PM行程管理，內核通過SCI來提供一個API用于創建行程（fork、exec），停止行程（kill、exit），行程間通信（signal等），行程調度；

• 行程實際是某特定應用程式的一個運行物體，在 Linux 系統中，能夠同時運行多個行程，Linux 通過在短的時間間隔內輪流運行這些行程而實作“多任務”，這一短的時間間隔稱為“時間片”，讓行程輪流運行的方法稱為“行程調度” ，完成調度的程式稱為調度程式，
• 行程調度控制行程對CPU的訪問，當需要選擇下一個行程運行時，由調度程式選擇最值得運行的行程，可運行行程實際上是僅等待CPU資源的行程，如果某個行程在等待其它資源，則該行程是不可運行行程，Linux使用了比較簡單的基于優先級的行程調度演算法選擇新的行程，
• 通過多任務機制，每個行程可認為只有自己獨占計算機，從而簡化程式的撰寫，每個行程有自己單獨的地址空間，并且只能由這一行程訪問，這樣，作業系統避免了行程之間的互相干擾以及“壞”程式對系統可能造成的危害， 為了完成某特定任務，有時需要綜合兩個程式的功能，例如一個程式輸出文本，而另一個程式對文本進行排序，為此，作業系統還提供行程間的通訊機制來幫助完成這樣的任務，Linux 中常見的行程間通訊機制有信號、管道、共享記憶體、信號量和套接字等，

3）Memory Management：MM記憶體管理，用于控制多行程安全的共享記憶體；

對任何一臺計算機而言，其記憶體以及其它資源都是有限的，為了讓有限的物理記憶體滿足應用程式對記憶體的大需求量，Linux 采用了稱為“虛擬記憶體”的記憶體管理方式，Linux 將記憶體劃分為容易處理的“記憶體頁”（對于大部分體系結構來說都是 4KB），Linux 包括了管理可用記憶體的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬體機制，

4）Vitual File System：VFS虛擬檔案系統，其隱藏了不同種檔案系統的具體細節，為檔案操作提供了統一的介面，在用戶和檔案系統之間提供了一個交換層，VFS提供了多達數十種不同的檔案系統，虛擬檔案系統可以分為邏輯檔案系統和設備驅動程式，邏輯檔案系統指Linux所支持的檔案系統，如ext2,fat等，設備驅動程式指為每一種硬體控制器所撰寫的設備驅動程式模塊，

5）Network Stack：網路協議堆疊，提供了對各種網路標準的存取和各種網路硬體的支持，網路介面可分為網路協議和網路驅動程式，網路協議部分負責實作每一種可能的網路傳輸協議，眾所周知，TCP/IP 協議是 Internet 的標準協議，同時也是事實上的工業標準，網路設備驅動程式負責與硬體設備通訊，每一種可能的硬體設備都有相應的設備驅動程式，

6）Arch：包含了硬體原廠提供的代碼，Linux內核用在不同的處理器上，底層硬體是不同的，具體就體現在這里，

7）Device Drivers：設備驅動，Linux 內核中有大量代碼是在驅動程式部分，設備驅動程式提供一組作業系統可理解的抽象介面完成和作業系統之間的互動，而與硬體相關的具體操作細節由設備驅動程式完成，該部分是后期要重點研究的內容，Linux驅動一般分為網路設備、塊設備、字符設備、雜項設備，

3 Linux內核原始碼目錄結構

目前Linux內核最新到了5.11.16版本，就下載了這個版本看下目錄結構，壓縮包112.2MB，解壓出來將近1個GB了，

可以看到，功能相關的檔案放在了不同的子目錄下：

【arch目錄】：平臺目錄，內核所能支持的所有CPU架構，如ARM、X86等都有對應的子目錄，每個子目錄下又有boot（系統引導）、mm（記憶體管理）、kernel（相關內核特性實作方式，如信號處理）、lib（硬體相關的庫函式）、tools（生成鏡像的工具）；

【block目錄】：部分塊設備驅動程式；

【certs目錄】：與認證和簽名相關代碼；

【crypto目錄】：加密壓縮CRC校驗；

【Documentation目錄】：內核使用說明檔案；

【drivers目錄】：設備驅動

【fs目錄】：各種檔案系統的實作代碼；

【include目錄】：通用的頭檔案；

【init目錄】：內核初始化和啟動代碼；

【ipc目錄】：行程間通信實作的代碼；

【kernel目錄】：Linux核心功能代碼，程式調度、行程控制等

【lib目錄】：通用庫代碼；

【mm目錄】：記憶體管理相關代碼；

【net目錄】：各種網路協議實作；

【samples目錄】：內核編程的范例；

【scripts目錄】：配置裁剪內核的工具腳本；

【security目錄】：不同的Linux安全模式相關代碼；

【sound目錄】：音頻設備驅動程式；

【tools目錄】：.c編譯成目標檔案，連接合成可運行的內核鏡像檔案等工具；

【usr目錄】：用于打包和壓縮的CPIO等；

【virt目錄】：內核虛擬機；

4 小結

以上可以看到Linux的內核檔案相當之多，代碼量驚人，我們學習的時候不要直接扎進去看原始碼，這要是看完估計頭發都白了，人生苦短啊，大部分代碼已經是寫好了的，Linux裁剪后編譯的鏡像可能也就幾個MB，其中大部分代碼也是不需要修改的，我們做Linux驅動開發，焦點在于Driver部分：函式的呼叫、驅動的協議等，

Linux開發之路就在前方，朋友們一起肝起來吧！

【參考】：

https://www.kernel.org

https://www.linuxprobe.com/linux-system-structure.html

http://www.360doc.com/content/18/0412/15/11935121_745034658.shtml

https://www.bilibili.com/read/cv6232273/

作于202104241425，已歸檔

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