Linux设备驱动开发详解-Note(5)---Linux 内核及内核编程(1)

Linux 内核及内核编程(1)

成于坚持，败于止步

Linux 2.6 内核的特点

Linux 2.6 相对于 Linux 2.4 有相当大的改进，主要体现在如下几个方面。

1．新的调度器

2.6 版本的 Linux 内核使用了新的进程调度算法，它在高负载的情况下执行得极其出色，并且当有很多处理器时也可以很好地扩展。

2．内核抢占

在 2.6 版本的 Linux 内核中，内核任务可以被抢占，从而提高系统的实时性。这样做最主要的优势在于可以极大地增强系统的用户交互性。

3．改进的线程模型

2.6 版本的 Linux 内核中线程操作速度得以提高，可以处理任意数目的线程，PID最大可以到 2000000000。

4．虚拟内存的变化

从虚拟内存的角度来看，新内核融合了 r-map（反向映射）技术，显著改善虚拟内存在一定程度负载下的性能。

5．文件系统

2.6 版本的 Linux 内核增加了对日志文件系统功能的支持，解决了 2.4 版本的 Linux内核在这方面的不足。2.6 版本的 Linux 内核在文件系统上的关键变化还包括对扩展属性及 POSIX 标准访问控制的支持。Ext2/Ext3 作为大多数 Linux 系统缺省安装的文件系统，在 2.6 版本的 Linux 内核中增加了对扩展属性的支持，可以给指定的文件在文件系统中嵌入元数据。

6．音频

新的 Linux 音频体系结构 ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）取代了缺陷很多的旧的 OSS（Open Sound System）。新的声音体系结构支持 USB 音频和 MIDI 设备，并支持全双工重放等功能。

7．总线

SCSI/IDE 子系统经过大幅度的重写，解决和改善了以前的一些问题。比如 2.6 版本的 Linux 内核可以直接通过 IDE 驱动程序来支持 IDE CD/RW 设备，而不必像以前那样使用一个特别的 SCSI 模拟驱动程序。

8．电源管理

支持 ACPI（高级电源配置管理界面，Advanced Configuration and Power Interface），用于调整 CPU 在不同的负载下工作于不同的时钟频率以降低功耗。

9．联网和 IPSec

2.6 版本的 Linux 内核中加入了对 IPSec 的支持，删除了原来内核内置的 HTTP 服务器 kttpd，加入了对新的 NFSv4（网络文件系统）客户机/服务器的支持，并改进了对 IPv6 的支持。

10．用户界面层

2.6 版本的 Linux 内核重写了帧缓冲/控制台层，人机界面层还加入了对大多数接口设备的支持（从触摸屏到盲人用的设备和各种各样的鼠标）。 在设备驱动程序的方面，Linux 2.6 相对于 Linux 2.4 也有较大的改动，这主要表现在内核 API 中增加了不少新功能（例如内存池）、sysfs 文件系统、内核模块从.o 变为.ko、驱动模块编译方式、模块使用计数、模块加载和卸载函数的定义等方面。

Linux 内核的组成部分 

如图 3.1 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）等 5 个子系统组成。

1．进程调度

精度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。 如图 3.2 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，并使驱动对应的进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。睡眠分为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来。

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，其对应的进程进入睡眠状态，直到它请求的资源被释放，才会被唤醒而进入就绪状态。 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：
int 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。

如图 3.3 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。

3．虚拟文件系统

如图 3.4 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。

4．网络接口

网络接口提供了对各种网络的标准的存取和各种网络硬件的支持。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进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱
动程序。

5．进程通信

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，必须为程序创建进程，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。

就到这里了，O(∩_∩)O~

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待续。。。。