linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)
1 操作系統(tǒng)整體架構(gòu)
分為四個部分： 用戶應用程序 ， 操作系統(tǒng)服務部分 ， 操作系統(tǒng)內(nèi)核部分， 硬件系統(tǒng)部分。
2 linux內(nèi)核模式
應用程序使用指定的參數(shù)值執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用(int x80) ，使CPU從用戶態(tài)切換到核心態(tài)，然后操作系統(tǒng)根據(jù)具體的參數(shù)值調(diào)用特定的系統(tǒng)調(diào)用服務程序，
這些服務程序則根據(jù)需要再調(diào)用底層的一些支持函數(shù)以完成特定的功能。
在完成了應用程序所要求的服務程序之后，操作系統(tǒng)從核心態(tài)回到了用戶態(tài)，返回到應用程序中執(zhí)行后面的指令。
3 內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)
內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)主要由5部分組成 ：
(1) 進程調(diào)度 (2) 內(nèi)存管理 (3) 進程間通信 (4) 文件系統(tǒng) (5) 網(wǎng)絡(luò)接口
下圖為 物理內(nèi)存使用的功能分布圖
內(nèi)核模塊占用了 物理內(nèi)存的最開始的位置，緊接著是 高速緩沖區(qū) ，系統(tǒng)從外部讀取數(shù)據(jù)的時候，先把數(shù)據(jù)讀取到高速緩沖區(qū)中，然后再從高速緩沖區(qū)中
將數(shù)據(jù)移動到主內(nèi)存區(qū)中。
4 內(nèi)存地址的概念
存在以下三種不同的地址需要予以區(qū)別：
(1) 程序的虛擬地址
是指由段選擇符和段內(nèi)偏移地址兩個部分組成的地址。這兩部分組成的地址并沒有直接用來訪問內(nèi)存地址，而是通過分段機制地址變化處理和映射之后，才能找到對應的物理內(nèi)存中。虛擬地址空間由GDT映射的全局地址空間和LDT映射成的局部地址空間組成。
(2) 線性地址 是虛擬地址到物理地址變換之間的中間層，是處理器可以尋址的內(nèi)存空間中的地址。段中的偏移地址再加上相應段的基址，就生成了一個物理地址。
(3)物理地址 是指出現(xiàn)在CPU外部地址上的尋址內(nèi)存的地址信號，是地址變換的最終結(jié)果地址。
5 虛擬地址 線性地址 和 物理地址 之間的關(guān)系
5.1內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)的地址
對于linux0.11內(nèi)核來說，在head.s中已經(jīng)把內(nèi)核代碼段和數(shù)據(jù)段設(shè)置為長度為16MB的段，在線性地址空間中，這兩個段的范圍重疊，都是從線性地址空間0開始到地址0xFFFFFF共16MB地址范圍。 在該范圍中含有內(nèi)核所有的代碼，內(nèi)核段表(GDT , IDT , TSS) ，頁目錄表和內(nèi)核的二級頁表，內(nèi)核局部數(shù)據(jù)以及內(nèi)核臨時堆棧。(該臨時堆棧將被用作第一個任務即任務0 的用戶堆棧) ， 所以內(nèi)核代碼段和數(shù)據(jù)段在三種地址空間上的關(guān)系。
通過上述分析得到 ：
(1)內(nèi)核代碼段和數(shù)據(jù)段區(qū)域 在線性地址空間和物理地址空間中是一樣的。
(2)GDT和IDT在內(nèi)核數(shù)據(jù)段中，因此它們的線性地址空間也同樣等同于它們的物理地址地址。
(3) 除任務0以外，所有的其他任務所需要的物理內(nèi)存頁面與線性地址中的不同或部分不同，因此內(nèi)核 需要動態(tài)地在主內(nèi)存區(qū)中為它們作映射操作，
動態(tài)地建立頁目錄項和頁表項。
5.2任務0的地址對應關(guān)系
任務0是系統(tǒng)中一個人工啟動的第一個任務，它的代碼段和數(shù)據(jù)段長度被設(shè)置為640kb ，該任務的代碼和數(shù)據(jù)直接包含在內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)段中，是從線性地址0開始的640kb內(nèi)容，因此它可以使用內(nèi)核代碼已經(jīng)設(shè)置好的頁目錄和頁表進行分頁地址變換。同樣它的代碼段和數(shù)據(jù)段在內(nèi)存中也是重疊的。
5.3 任務1的地址對應關(guān)系
任務1 也是一個特殊的任務。它的代碼也在內(nèi)核代碼區(qū)域中。與任務0不同的是在線性地址空間中，系統(tǒng)在使用fork 創(chuàng)建任務時，為存放任務1 的二級頁表而在主內(nèi)存區(qū)申請了一頁內(nèi)存來存放，并復制了任務0 的頁目錄和二級頁表項。
5.4其他任務的地址對應關(guān)系
對于從任務2開始的進程來說，它們的父進程都是init進程(任務1) 。從任務2開始，如果任務號以nr來表示，那么任務nr在線性地址空間中的起始位置將是 nr * 64MB 。
5.4 用戶申請內(nèi)存的動態(tài)分配
當用C函數(shù)庫中的malloc函數(shù)進行內(nèi)存動態(tài)分配的時候，內(nèi)核并不會插手管理，因為每個進程的擁有64MB的內(nèi)存空間。但是內(nèi)核會為進程使用的代碼和數(shù)據(jù)維護一個
當前位置值brk ，這個值保存在每個進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。它指出了進程代碼和數(shù)據(jù)在進程地址空間中的末端位置，當malloc 函數(shù)為程序分配內(nèi)存時，它會通過系統(tǒng)調(diào)用
brk() 把程序要求新增加的空間長度通知內(nèi)核，內(nèi)核代碼可以根據(jù)malloc()函數(shù)所提供的信息來更新brk的值。但是此時并不會為新申請的空間映射物理內(nèi)存頁面。只有當程序?qū)ぶ返侥硞€不存在對應的物理頁面的時候，內(nèi)核才會進行物理內(nèi)存頁面的映射操作。
6 Linux 系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)
CPU根據(jù)中斷號獲取中斷向量值，即對應中斷服務程序的入口地址值。為了讓CPU由中斷號查到對應的中斷向量，就需要在內(nèi)存中建立一張查詢表。
即中斷向量表(32位模式下稱為中斷描述符表)， 80x86支持256個中斷，對應每個中斷要安排一個中斷服務程序。對應一個中斷號，它的中斷服務程序的入口地址就在
保存在0x0000:N x 4 處。
對于Linux 系統(tǒng)，在剛開始啟動的時候，它會使用BIOS提供的顯示和磁盤讀取中斷功能。 在內(nèi)核正常運行之前則會在setup.s程序中重新初始化8259A芯片在head.s程序中重新設(shè)置的一張中斷向量表。
7 linux 系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用是linux內(nèi)核與上層應用程序進行交互通信的唯一接口。
用戶通過直接或者間接地調(diào)用中斷int 0x80 ，并在eax寄存器中指定系統(tǒng)調(diào)用功能號，即可以使用內(nèi)核資源，包括系統(tǒng)硬件資源。
在Linux 內(nèi)核中，每個系統(tǒng)調(diào)用都具有唯一的一個系統(tǒng)調(diào)用功能號。 這些功能號 實際上對應于 系統(tǒng)調(diào)用處理程序指針數(shù)組表 sys_call_table[] 中的項的索引值。
7.1系統(tǒng)調(diào)用處理過程
當應用程序經(jīng)過庫函數(shù)向內(nèi)核發(fā)出一個中斷可調(diào)用int 0x80時 ，就可以執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用。
其中寄存器eax中存儲著中斷調(diào)用號 ，而寄存器中攜帶的參數(shù)可以依次存放在ebx , ecx , edx中。因此Linux 0.11中最多可以向內(nèi)核中傳遞三個參數(shù)。
8 Linux進程控制
對于0.11來說，系統(tǒng)最多同時運行64個進程。處理第一個進程使用“手工”創(chuàng)建以外，其余的進程都是通過fork系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生。內(nèi)核使用進程標識號來標識進程。
進程由可執(zhí)行的指令代碼 數(shù)據(jù) 和堆棧區(qū)組成。進程中的代碼和數(shù)據(jù)部分 分別對應一
個執(zhí)行文件中的代碼段、數(shù)據(jù)段。每個進程只能訪問自己的代碼，數(shù)據(jù)和堆棧。
linux 系統(tǒng)中一個進程可以在內(nèi)核態(tài)或者是在用戶態(tài)下執(zhí)行，并且分別使用各自獨立的內(nèi)核態(tài)堆棧 和 用戶態(tài)堆棧。
用戶堆棧用于進程在用戶態(tài)下臨時保存調(diào)用函
數(shù)的參數(shù)、局部變量等數(shù)據(jù)。
內(nèi)核堆棧則含有內(nèi)核程序執(zhí)行函數(shù)調(diào)用時的信息。
在linux內(nèi)核中，進程通常叫做任務，而把運行在用戶空間的程序稱作 進程。
8.1 任務數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
內(nèi)核程序通過使用進程表對進程進行管理，每個進程在進程表中占有一項。 在Linux系統(tǒng)中，進程表項是一個task_struct 任務結(jié)構(gòu)指針?；蛘呓凶鲞M程控制塊，
其中保存著控制和管理進程的所有信息。
8.2 進程初始化
系統(tǒng)進入保護模式之后，就開始執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序init/main.c 。該程序首先確定如何分配使用系統(tǒng)物理內(nèi)存，然后調(diào)用內(nèi)核各個部分的初始化函數(shù)，
分別對內(nèi)存管理、中斷處理、塊設(shè)備和字符設(shè)備、進程管理以及硬盤和軟盤進行初始化處理。此后程序把自己“手工”移動到任務0中運行，并使用fork系統(tǒng)調(diào)用首先創(chuàng)建出進程1 。 在進程1中將繼續(xù)執(zhí)行應用環(huán)境的初始化并執(zhí)行shell登錄程序。而原進程則會在系統(tǒng)空閑的時候被調(diào)度執(zhí)行，此時任務0 僅執(zhí)行pause()系統(tǒng)調(diào)用，其中又回去執(zhí)行調(diào)度函數(shù)。
8.3 CPU允許低級別的代碼通過調(diào)用門或者中斷、陷阱門來調(diào)用和轉(zhuǎn)移到高級別的代碼中去。 但是 ，反之則不行。所以內(nèi)核采用這種中斷返回指令iret來實現(xiàn)，
由高級別到低級別的跳轉(zhuǎn)。
9 創(chuàng)建新進程
linux系統(tǒng)中創(chuàng)建新進程都是使用fork() 系統(tǒng)調(diào)用。所有的進程都是通過復制進程0而得到的，都是進程0的子進程。
隨后對復制的任務數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行修改。把當前進程設(shè)置為新進程的父進程，清除信號位圖，并復位新進程的各統(tǒng)計值。
接著根據(jù)當前進程設(shè)置任務狀態(tài)段(TSS)中各個寄存器的值。
此后系統(tǒng)設(shè)置新任務的代碼和數(shù)據(jù)段基地址、限長、并復制當前進程內(nèi)存分頁管理的頁表。此時，系統(tǒng)并不為新的進程分配實際的物理內(nèi)存頁面，
而是讓它共享父進程的內(nèi)存頁面。只有當父進程或新進程中任意的一個有寫內(nèi)存的操作時，系統(tǒng)才會為執(zhí)行寫操作的進程分配相關(guān)的獨自使用的內(nèi)存頁面。
這種處理方式叫做 寫實復制技術(shù)。
創(chuàng)建一個新的進程和加載一個執(zhí)行程序文件時兩個不同的概念。當創(chuàng)建子進程的時候，它完全復制了父進程的代碼和數(shù)據(jù)區(qū)，并會在其中執(zhí)行子進程部分的代碼。
9.1進程調(diào)度
調(diào)度程序可以看在所有處于運行狀態(tài)的進程之間分配CPU運行時間的管理代碼。
linux的進程是搶占式的，但是被搶占的進程仍然處于TASK_RUNNING 狀態(tài)，只是暫時沒有被CPU運行。進程的搶占發(fā)生在進程處于用戶態(tài)執(zhí)行階段，
在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行時是不能被搶占的。
9.2 調(diào)度程序
schedule()函數(shù)首先掃描任務數(shù)組。通過比較每個就緒態(tài)(TASK_RUNNING)的運行時間遞減滴答計數(shù)counter 的值來 確定當前哪個進程運行的時間最少。
哪一個值越大，就表示運行時間還不長，于是就選擇該進程，并使用任務切換宏函數(shù)切換到該進程執(zhí)行。
如果沒有其他進程執(zhí)行，系統(tǒng)就會選擇進程0運行，進程0會調(diào)用pause()函數(shù)把自己置位可中斷的睡眠狀態(tài)，并再次使用schedule()函數(shù)。只要系統(tǒng)空閑就
調(diào)用進程0運行。
9.3進程切換
每當選擇出一個新的可以運行的進程時，schedule()函數(shù)就會調(diào)用定義在include/asm/system.h中的switch_to()宏執(zhí)行實際進程切換操作。該宏會把CPU的當前進程狀態(tài)
替換為新進程的狀態(tài)。.
9.4 終止進程
當一個進程結(jié)束了運行或在半途中終止了運行，那么內(nèi)核就需要釋放該進程所占用的系統(tǒng)資源。這包括進程運行時打開的文件、申請的內(nèi)存等。