Linux内核与文件系统分析

时间:2021-04-01 20:08:09

1、Linux内核源代码目录结构

  • arch:包含和硬件体系结构相关的代码,每种平台占一个相应的目录,如i386、arm、powerpc、mips等。
  • block:块设备驱动程序I/O调度。
  • crypto:常用加密和散列算法(如AES、SHA等),还有一些压缩和CRC校验算法。
  • Documentation:内核各部分的通用解释和注释。
  • drivers:设备驱动程序,每个不同的驱动占用一个子目录,如char、block、net、mtd、i2c等。 
  •  fs:支持的各种文件系统,如EXT、FAT、NTFS、JFFS2等。
  •  include:头文件,与系统相关的头文件被放置在include/linux子目录下。
  •  init:内核初始化代码。
  •  ipc:进程间通信的代码。
  •  kernel:内核的最核心部分,包括进程调度、定时器等,而和平台相关的一部分代码放在arch/*/kernel目录下。
  •  lib:库文件代码。
  •  mm:内存管理代码,和平台相关的一部分代码放在arch/*/mm目录下。
  •  net:网络相关代码,实现了各种常见的网络协议。
  •  scripts:用于配置内核的脚本文件。
  •  security:主要是一个SELinux的模块。
  •  sound:ALSA、OSS音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
  •  usr:实现了用于打包和压缩的cpio等。

2、Linux内核的组成部分
        如下图所示,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)和进程间通信(IPC)5个子系统组成。
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       1、进程调度       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。进程调度处于系统的
中心位置,内核中其他的子系统都依赖它,因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。
      如上图所示,Linux的进程在几个状态间进行切换。在设备驱动编程中,当请求的资源不能得到满足时,驱动一般会调度其他进程执行,并使本进程进入睡眠状态,直到它请求的资源被释放,才会被唤醒而进入就绪态。睡眠分成可被打断的睡眠和不可被打断的睡眠,两者的区别在于可被打断的睡眠在收到信号的时候会醒。
      在设备驱动编程中,当请求的资源不能得到满足时,驱动一般会调度其他进程执行,其对应进程进入睡眠状态,直到它请求的资源被释放,才会被唤醒而进入就绪态。       设备驱动中,如果需要几个并发执行的任务,可以启动内核线程,启动内核线程的函数为:       pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);
      2、内存管理       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。Linux  2.6引入了对无MMU CPU的支持。
      如下图所示,一般而言,Linux的每个进程享有4GB的内存空间,0~3GB属于用户空间,3~4GB属于内核空间,内核空间对常规内存、I/O设备内存以及高端内存存在不同的处理方式。
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       3、虚拟文件系统        如下图所示,Linux虚拟文件系统(VFS)隐藏各种了硬件的具体细节,为所有的设备提供了统一的接口。而且,它独立于各个具体的文件系统,是对各种文件系统的一个抽象,它使用超级块super  block存放文件系统相关信息,使用索引节点inode存放文件的物理信息,使用目录项dentry存放文件的逻辑信息。 Linux内核与文件系统分析
       4、网络接口        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。如下图所示,在Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序,网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议,网络设备驱动程序负责与硬件设备通信,每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。
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       5、进程通信        进程通信支持提供进程之间的通信,Linux支持进程间的多种通信机制,包含信号量、共享内存、管道等,这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。
       Linux内核的5个组成部分之间的依赖关系如下。
  •       进程调度与内存管理之间的关系:这两个子系统互相依赖。在多道程序环境下,程序要运行必须为之创建进程,而创建进         程的第一件事情,就是将程序和数据装入内存。
  •       进程间通信与内存管理的关系:进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制,这种机制允许两个进程除了拥         有自己的私有空间,还可以存取共同的内存区域。 
  •       虚拟文件系统与网络接口之间的关系: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。 
  •       内存管理与虚拟文件系统之间的关系:内存管理利用虚拟文件系统支持交换,交换进程(swapd)定期由调度程序调度,         这也是内存管理依赖于进程调度的惟一原因。当一个进程存取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。 
      除了这些依赖关系外,内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的例程,如分配和释放内存空间的函数、打印警告或错误信息的函数及系统提供的调试例程等。

3、Linux文件系统目录结构        进入Linux根目录(即“/”,Linux文件系统的入口,也是处于最高一级的目录),运行“ls –l”命令,看到Linux包含以下目录。
       1./bin 
       包含基本命令,如  ls、cp、mkdir等,这个目录中的文件都是可执行的。
       2./sbin
       包含系统命令,如modprobe、hwclock、ifconfig等,大多是涉及系统管理的命令,这个目录中的文件都是可执行的。
       3./dev 
       设备文件存储目录,应用程序通过对这些文件的读写和控制就可以访问实际的设备。
       4./etc 
      系统配置文件的所在地,一些服务器的配置文件也在这里,如用户账号及密码配置文件。busybox的启动脚本也存放在该目录。
       5./lib 
       系统库文件存放目录,如LDD6410包含libc-2.6.1.so、libpthread-2.6.1.so、libthread_db-1.0.so等。
       6./mnt
      /mnt这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录的,比如有cdrom 等目录。可以参看/etc/fstab 的定义。有时我们可以把让系统开机自动挂载文件系统,把挂载点放在这里也是可以的。
       7./opt
       opt 是“可选”的意思,有些软件包会被安装在这里,例如,在LDD6410的文件系统中,Qt/Embedded就存放在该目录。
       8./proc 
      操作系统运行时,进程及内核信息(比如CPU、硬盘分区、内存信息等)存放在这里。/proc目录为伪文件系统proc的挂载目录,proc并不是真正的文件系统,它存在于内存之中。
       9./tmp 
       有时用户运行程序的时候,会产生临时文件,/tmp就用来存放临时文件的。
       10./usr 
       这个是系统存放程序的目录,比如用户命令、用户库等。LDD6410的usr包括bin、sbin、lib三个子目录。usr/bin中包含diff、which、who、rx、cmp等,usr/sbin中包含chroot、flash_eraseall、inetd等,usr/lib中包含libjpeg.so.62.0.0等。
       11./var 
       var表示的是变化的意思,这个目录的内容经常变动,如/var 的/var/log 目录被用来存放系统日志。
       12./sys
       Linux 2.6内核所支持的sysfs文件系统被映射在此目录。Linux设备驱动模型中的总线、驱动和设备都可以在sysfs 文件系统中找到对应的节点。当内核检测到在系统中出现了新设备后,内核会在sysfs文件系统中为该新设备生成一项新的记录。