【嵌入式环境下linux内核及驱动学习笔记-（1-linux内核结构）】

1、应用系统的两种形态

1.1 无操作系统应用体系

对于简单的SOC应用，如大部分简单功能的单片机应用都无需在系统中使用操作系统，这时应用程序是直接调用相应的驱动操作底层的硬件，如图：

这种结构，应用软件直接调用了设备驱动操作硬 件。优点是：简单直接，效率高。适合小而简单的系统。对于复杂系统，需要在不同功能里共享硬件资源的应用系统，此种方式就明显不适合了。

1.2、有操作系统的应用体系

对于复杂应用系统，各功能模块之间需要共享硬件等资源的应用场景，则需要在应用体系内加入操作系统。因此，应用体系就如下图：

如图，有操作系统后，应用程序可以不管具体的硬件细节，而都使用操作系统API的统一接口，这样利于大规模标准化开发，提高开发效率。

驱动程序向上也使用操作系统提供的标准设备接口，向下操作不同的硬件。以此对操作系统层屏蔽了硬件细节。操作系统因此变得更稳定和高效。

2、linux内核

2.1 单内核与微内核

目前操作系统有两种典型的内核实现模式：

• 1、单内核（宏内核）：所有子模块代码编译到一个比较大的可执行文件（镜像文件）中。各子模块代码共用同一套运行资源，各模块间的交互直接通过函数调用来进行。如：linux
• 2、微内核：只将任务管理、内存管理、启动管理最其本的三个子模块编译到一个微型可执行文件中。其它子模块则各自编译成独立的后台服务程序，这些服务程序与微型内核以及APP间主要通过各种IPC进行通讯。如：windows

Linux是一个单内核，运行在单独的地址空间上。不过，Linux汲取了微内核的精化，具有微内核所所具有的模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块的能力。同时，Linux还避免了微内核的设计缺陷，linux让所有模块都运行在内核态，直接调用函数，无须像微内核那样采用消息传递。

2.2 Linux内核组成

如图所示，Linux内核主要由五个部分组成：

• 进程调度（SCHED)
• 内存管理（MM）
• 虚拟文件系统（VFS）
• 网络接口（NET）
• 进程间通信（IPC）

2.3 进程调度

进程调度处于系统的中心位置，系统的其它部分都依赖于它。linux的进程共有六种状态，进程在整个生命周期中可以这几种状态中切换。

• 执行态
• 就绪态
• 睡眠态（深度睡眠、浅度睡眠）
• 暂停态
• 僵死态

2.4 内存管理

内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享主内存域。一个32位处理器的Linux的每个进程享有4G空间，一般0-3G属于用户空间，3G-4G属于内核空间。如下图

2.5 虚拟文件系统

Linux虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。是对各个具体文件系统的一个抽象。

如图，虚拟文件系统为上层的应用程序提供了统一的调用接口，对下则负责调用具体底层文件系统或设备驱动中实现的file_operations结构体中的成员函数。

2.6 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。Linux网络接口分为

• 网络协议 ：负责实现每一种可能的网络传输协议。
• 网络驱动程序：负责与硬件设备通信

2.7 进程间通信

进程间通信负责进程之间的通信，包含信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等。

3、内核空间与用户空间

现代的CPU其内部会区分不同的工作模式，以此来区分不同级别和权限的操作。
例如，ARM的8种工作模式：

• User 非特权模式，一般在执行上层的应用程序时ARM处于该模式
• FIQ (快速中断模式)当一个高优先级中断产生后ARM将进入这种模式
• IRQ (外部中断模式)当一个低优先级中断产生后ARM将进入这种模式
• SVC (超级用户模式)当复位或执行软中断指令后ARM将进入这种模式
• Abort (中止模式)当产生存取异常时ARM将进入这种模式
• Undef (指令未定义模式)当执行未定义的指令时ARM将进入这种模式
• System (系统模式)使用和User模式相同寄存器集的特权模式
• Monitor (监控模式)为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式

在ARM环境中，Linux系统充分利用CPU的硬件特性，实现了两级的操作模式，用户(usr)模式和管理模式(svc)。与此对应，在Linux系统中具有两种空间：

• 内核空间： 是管理模式，可以进行任何操作，可以对底层硬件进行直接访问。等
• 用户空间：用户代码运行的模式，被禁止对硬件进行直接访问和对内存的的未授权访问。实现上通过swi软中断从用户模式陷入管理模式。等

4、linux 设备驱动

4.1 linux系统中设备分类

linux 系统将外设硬件分为三大类：

• 字符设备 ：以串行顺序依次进行访问的设备，如串口设备，触摸屏，鼠标等
• 块设备 ：可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘
• 网络设备 ：以数据包的方式传递数据的设备。

4.2 linux驱动相关体系

如图，字符设备与块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录。
应用程序可通过套接字访问网络设备，并用两种手段访问字符设备与块设备：

• 系统API 如 open() ，write() , read() , close()等。
• 调用C标准库函数fopen() , fwrite() , fread() , fclose()等。不过C库函数最终也是调用系统API实现的。