linux内核概述

我们知道Linus Torvalds 开发了Linux ，其实他开发的就是内核，按内核官方主页的理解，这个内核就是Linux ；其它的扩展和应用都是围绕内核而展开的。所有Linux应用程序都会和内核发生直接或者间接的接触；比如硬件需要内核支持，网络的通信也需要内核支持； 文件系统更需要内核支持... ...

    直言我的能力的不行，如果您想了解和学习解操作系统，我写的教程只是初级应用，理论性的东西不是一言两语能说的清楚的，更不是应用者能说的清楚的。

    二、为什么需要编译内核和管理内核

    硬件是需要内核支持才行，有些硬件的支持没有被编入内核，这也需要我们重编内核；内核的包含的不仅仅是设备的驱动，还有其它的内容，比如网络协议的支持， 防火墙的支持... ... 比如iptables的实现，有些功能是需要内核支持的，如果内核与iptables相关的内容没有被编入，iptables 相关的功能就无法实现；

    三、内核编译方法

    请参考：《编译内核操作流程 ──为新手指南》

    四、管理内核模块的相关命令

    1、lsmod 列加以挂载的内核模块；

    lsmod 是列出目前系统中已加载的模块的名称及大小等；另外我们还可以查看 /proc/modules ，我们一样可以知道系统已经加载的模块；

    [root@localhost beinan]# lsmod

    2、modinfo 查看模块信息；

    modinfo 可以查看模块的信息，通过查看模块信息来判定这个模块的用途；

    [root@localhost beinan]# moinfo 模块名

    举例：

    [root@localhost beinan]# modinfo ne2k-pci
    filename: /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/kernel/drivers/net/ne2k-pci.ko
    author: Donald Becker / Paul Gortmaker
    description: PCI NE2000 clone driver
    license: GPL
    parmtype: debug:int
    parmtype: options:array of int
    parmtype: full_duplex:array of int
    parm: debug:debug level (1-2)
    parm: options:Bit 5: full duplex
    parm: full_duplex:full duplex setting(s) (1)
    vermagic: 2.6.11-1.1369_FC4 686 REGPARM 4KSTACKS gcc-4.0
    depends: 8390
    alias: pci:v000010ECd00008029sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00001050d00000940sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v000011F6d00001401sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00008E2Ed00003000sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00004A14d00005000sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00001106d00000926sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v000010BDd00000E34sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00001050d00005A5Asv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v000012C3d00000058sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v000012C3d00005598sv*sd*bc*sc*i*
    alias: pci:v00008C4Ad00001980sv*sd*bc*sc*i*
    srcversion: 6ACE95F441CD26DF9DC31C2

    上面的例子是我们查看 ne2k-pci 这个模块的信息，通过查看，我们知道ne2k-pci 模块是8029网卡（PCI NE2000 clone driver）的驱动；模块是位于 /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/kernel/drivers/net/ 中ne2k-pci.ko

    我们现在常用的网卡也有8139的，8139网卡所用的驱动是 8139too ；查查看？

    [root@localhost beinan]# modinfo 8139too

    我们再查查vfat 和ntfs 的模块信息；

    [root@localhost beinan]# modinfo vfat
    [root@localhost beinan]# modinfo ntfs

    自己尝试一下；

    注意： 模块名是不能带有后缀的，我们通过modprobe -l 所看到的模块，都是带有.ko 或.o后缀；

    3、modprobe 挂载新模块以及新模块相依赖的模块

    modprobe 我们常用的功能就是挂载模块，在挂载某个内核模块的同时，这个模块所依赖的模块也被同时挂载；当然modprobe 也有列出内核所有模块，还有移除模块的功能；下在我们举个例子说一说咱们常用的功能和参数；

    modprobe [-v] [-V] [-C config-file] [-n] [-i] [-q] [-o ] [parameters...]
    modprobe -r [-n] [-i] [-v] ...
    modprobe -l -t [ -a ...]

    上面是modprobe 的用法，具体更为详细的帮助，我们可以查看 man modprobe ；

    [root@localhost beinan]# modprobe -c

    modprobe -c 可以查看modules 的配置文件，比如模块的别名是什么等；

    [root@localhost beinan]# modprobe -l

    modprobe -l 是列出内核中所有的模块，包括已挂载和未挂载的；通过modprobe -l ，我们能查看到我们所需要的模块，然后根据我们的需要来挂载；其实modprobe -l 读取的模块列表就位于 /lib/modules/'uname -r' 目录中；其中uname -r 是内核的版本；

    [root@localhost beinan]# uname -r
    2.6.11-1.1369_FC4
    [root@localhost beinan]# ls /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/

    通过上面的命令，自己试试看？

    [root@localhost beinan]# modprobe 模块名 注：挂载一个模块；

    举例：

    [root@localhost beinan]# modprobe ne2k-pci 注：挂载 ne2k-pci 模块；
    [root@localhost beinan]# modprobe vfat 注：挂载vfat 模块
    [root@localhost beinan]# modprobe ntfs 注：挂载ntfs 模块
    [root@localhost beinan]# lsmod 注：列出已挂载模块， 我们会看到ne2k-pci ，vfat ，ntfs的模块 ；

    注意： 模块名是不能带有后缀的，我们通过modprobe -l 所看到的模块，都是带有.ko 或.o后缀；

    [root@localhost beinan]# modprobe -r 模块名 注：移除已加载的模块，和rmmod 功能相同；

    注意： 模块名是不能带有后缀的，我们通过modprobe -l 所看到的模块，都是带有.ko 或.o后缀；

    [root@localhost beinan]# modprobe -r 模块名

    举例：

    [root@localhost beinan]# modprobe -r ne2k-pci

    就说这么多吧，更为详细的还是用 man modprobe 来查看和尝试；

    4、rmmod 移除已挂载模块；

    命令格式：

    rmmod 模块名

    注意： 模块名是不能带有后缀的，我们通过modprobe -l 所看到的模块，都是带有.ko 或.o后缀；

    举例：

    [root@localhost beinan]# rmmod vfat 注：移除已挂载的模块vfat

    5、depmod 创建模块依赖关系的列表

    这个模块管理工具是创建模块依赖关系的列表，有几个参数我们注意一下就行了，目前的的Linux 发行版所用的内核是2.6x版本，是自动解决依赖关系，所以这个命令知道就行了；模块之前也有依赖关系，比如我们想驱动USB 移动硬盘，目前有两种驱动，一种是udev ，在内核中有，但目前不太稳定；另一种办法是用usb-storage驱动，而usb-storage 依赖的模块是scsi 模块，所以我们要用usb-storage 的模块，也得把scsi 编译安装；

    再举个例子：sata的硬盘，在Linux中的设备表示的是/dev/sd* ，比如 /dev/sda，/dev/sdb 等... 系统要驱动 sata硬盘，则需要把sata在内核中选中，或编译成模块，或内置于内核之中，在此同时，还需要在内核中选中ide ，scsi 的支持等；

    depmod 工具的洋文原意：depmod — program to generate modules.dep and map files.（我译的：为modules.dep 文件或映射文件创建依赖关系）

    [root@localhost beinan]# depmod -a 注：为所有列在/etc/modprobe.conf 或/etc/modules.conf 中的所有模块创建依赖关系，并且写入到modules.dep文件；
    [root@localhost beinan]# depmod -e 注：列出已挂载但不可用的模块；
    [root@localhost beinan]# depmod -n 注：列出所有模块的依赖关系，但仅仅是输出出来 （Write the dependency file on stdout only）

    注：modules.dep 位于 /lib/modules/内核版本 目录

    比如 Fedora Core 4.0 中，系统默认的内核：

    [root@localhost beinan]# ls /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/modules.dep
    /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/modules.dep

    6、insmod 挂载模块；

    insmod 这个工具，和modprobe 有点类似，但功能上没有modprobe 强，modprobe 在挂载模块是不用指定模块文件的路径，也不用带文件的后缀.o 或.ko ；而insmod 需要的是模块的所在目录的绝对路径，并且一定要带有模块文件名后缀的(modulefile.o 或modulesfile.ko ）；

    对于这个工具，我们只是介绍一下， 并不推荐使用。因为模块有依赖关系，对于新手来说，可能不知道这个模块依赖和哪个模块依赖；

    举例：

    [root@localhost beinan]# insmod /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/kernel/drivers/net/tg3.ko

    我们要到 /lib/modules/内核版本 uname -r 的命令输出/kernel/drivers 中找相对应的模块才行，要有绝对路径，而且必须要用到文件名的全称，不能把文件名的后缀省略；

    五、与内核模块加载相关的配置文件；

    1、模块的配置文件 modules.conf 或 modprobe.conf

    内核模块的开机自动挂载模块一般是位于一个配置文件，一般的Linux发行版本都有 /etc/modules.conf 或 /etc/modprobe.conf 。比如Fedora Core 4.0 内核模块开机自动加载文件是 /etc/modprobe.conf ；在这个文件中，一般是写入模块的加载命令或模块的别名的定义等；比如我们在modules.conf 中可能会发行类似的一行 ；

alias eth0 8139too

而8029的网卡应该是

    alias eth0 ne2k-pci

    这样系统启动的时候，首先会modprobe 8139too ，然后再为8139too 指定别名为 eth0，然后我们在登录的时候，用 ifconfig 就会查看到网卡的IP 等情况，当然您得为网卡设置IP 才行；

    一般的情况下，modproe.conf 或modules.conf的内容 是我们用相应的硬件配置工具而生成的；如果您的硬件驱动是没有被内核支持，您自己到硬件的厂商下载而来的驱动。一般的情况下都有安装和帮助文件。他们的驱 动在配置时，他会写入硬件的支持到modules.conf 或modprobe.conf 文件中。

    再比如我们的声卡在modules.conf 或modprobe.conf 中也有相应的内容，这是由alsaconf 配置工具生成的，明白了吧；同理网卡在modprobe.conf 或modules.conf中的内容也是由网卡的配置工具而来的。

    有些硬件是以内核模块的方式驱动的，模块一旦加载上就能用，也没有什么配置工具，比如vfat 和ntfs 的支持；如果是硬件驱动不以模块的方式支持，而是直接编入内核，也不会用在modprobe.conf 或 modules.conf 中加入什么内容；

    如果您有些模块不能开机加载，您想让一些模块加机自动加载，就可以把modprobe 模块 直接写入配置文件；

    2、内核模块其它配置文件

    内核模块的其它配置文件还是需要了解的，比如 /lib/modules/内核版本目录下的几个文件；了解一下就行；比如：

    [root@localhost beinan]# uname -r
    2.6.11-1.1369_FC4
    [root@localhost beinan]# ls /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/
    build misc modules.ccwmap modules.ieee1394map modules.isapnpmap modules.symbols source
    kernel modules.alias modules.dep modules.inputmap modules.pcimap modules.usbmap

    六、硬件驱动在系统中的目录；

    硬件驱动在内核中以模块支持的目录；

    硬件驱动是必须由内核支持的，无论是我们自己安装驱动，还是内核自带的驱动都是如此。硬件驱动如果是以内核模块支持的，驱动目录位于： /lib/modules/内核版本/kernel/目录 或 /lib/modules/内核版本/kernel/drivers 目录中；

    [root@localhost beinan]# uname -r
    2.6.11-1.1369_FC4
    [root@localhost beinan]# ls /lib/modules/2.6.11-1.1369_FC4/kernel
    arch crypto drivers fs lib net sound

    注：只有驱动在内核中以模块的方法支持，驱动才位于 /lib/modules/相应的目录；如果是直接置入内核的，不会出现在/lib/modules驱动相关的目录；

    七、自己编译驱动的办法；

    如果是硬件厂商或者开源社区提供的驱动（没有集成在内核源码中的），编译驱动过程一般是./configure ;make;make install ，有时程序不提供./configure ，我们可以make或make install ，或者执行make;make install ；如果不能make install ，则需要我们自己复制.o或者.ko文件到 /lib/modules/内核版本/kernel/目录 或 /lib/modules/内核版本/kernel/drivers 目录中相应的驱动目录；

    这个还是自己尝试吧，说也说不清楚，遇到问题后就知道怎么弄了；具体的还是驱动的REAME和INSTALL为准；

    现在大多驱动都是在编译安装时，都自动复制.o或.ko 文件到内核模块目录，大多不用我们自己动手复制过去。如果您尝试编译安装声卡驱动 alsa-drivers 就会明白我所说的意思；

    如果是我们通过重编内核来解决驱动问题，可以查看/usr/src/目录中的内核源码目录中的 Documentation 的REAME ；所有的帮助文件都在那里；

    inux内核主要由五个子系统组成：进程调度，内存管理，虚拟文件系统，网络接口，进程间通信。

    1. 进程调度（SCHED）:控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的 进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

    2. 内存管理（MM）允许多个进程安全的共享主内存区域。Linux的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可以超过实际 内存的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑 上分为硬件无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。

    3. 虚拟文件系统（VirtualFileSystem,VFS）隐藏了各种硬件的具体细节，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文 件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬 件控制器所编写的设备驱动程序模块。

    4.网络接口（NET）提供了对各种网络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通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

    5.进程间通讯(IPC) 支持进程间各种通信机制。

     处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作 真正完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要挂起发送进程，直到硬件成功地完成消息的发送，当消息被成功的发送出 去以后，网络接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统以相似的理由依赖于进程调度。

各个子系统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唯一原因。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过程。例如：分配和释放内存空间的过程，打印警告或错误信息的过程，还有系统的调试例程等等。

系统数据结构

    在linux的内核的实现中，有一些数据结构使用频度较高，他们是：

    task_struct.

    Linux 内核利用一个数据结构（task_struct）代表一个进程，代表进程的数据结构指针形成了一个task数组(Linux中，任务和进程是相同的术 语),这种指针数组有时也称为指针向量。这个数组的大小由NR_TASKS(默认为512)，表明Linux系统中最多能同时运行的进程数目。当建立新进 程的时候，Linux为新进程分配一个task_struct结构，然后将指针保存在task数组中。调度程序一直维护着一个current指针，他指向 当前正在运行的进程。

    Mm_struct

    每个进程的虚拟内存由一个mm_struct结构来代表，该结构实际上包含了当前执行映像的有关信息，并且包含了一组指向vm_area_struct结构的指针，vm_area_struct结构描述了虚拟内存的一个区域。

    Inode

     虚拟文件系统(VFS)中的文件、目录等均由对应的索引节点(inode)代表。每个VFS索引节点中的内容由文件系统专属的例程提供。VFS索引节点只 存在于内核内存中，实际保存于VFS的索引节点高速缓存中。如果两个进程用相同的进程打开，则可以共享inade的数据结构，这种共享是通过两个进程中数 据块指向相同的inode完成。



Linux的具体结构

    所谓具体结构是指系统实现的结构。

    Linux的具体结构类似于抽象结构，这种对应性是因为抽象结构来源于具体结构，我们的划分没有严格依照源代码的目录结构，且和子系统的分组也不完全匹配，但是，它很接近源代码的目录结构。

    尽管前面的讨论的抽象结构显示了各个子系统之间只有很少的依赖关系，但是具体结构的5个子系统之间有高度的依赖关系。我们可以看出，具体结构中的很多依赖关系并没有在抽象结构中出现。



Linux内核源代码

     目前，较新而又稳定的内核版本是2.0.x和2.2.x，因为版本不同稍有差别，因此如果你想让一个新的驱动程序既支持2.0.x，又支持2.2.x，就 需要根据内核版本进行条件编译，要作到这一点，就要支持宏LINUX_VERSION_CODE,假如内核的版本用a.b.c来表示，这个宏的值就是 216a+28b+c。要用到指定内核版本的值，我们可以用KERNEL_VERSION宏，我们也可以自己去定义它。

    对内核的修改用补丁文件的方式发布的。Patch实用程序用来用来对内核源文件进行一系列的修改。例如：你有2.2.9的源代码，但想移到2.2.10。就可以获得2.2.10的补丁文件，应用patch来修改2.2.9源文件。例如：

    $ cd /usr/src/linux

    $ patch –pl < patch-2.2.10

Linux 内核源代码的结构

    Linux内核源代码位于/usr/src/linux目录下。

    /include子目录包含了建立内核代码时所需的大部分包含文件，这个模块利用其他模块重建内核。

    /init 子目录包含了内核的初始化代码，这是内核工作的开始的起点。

    /arch子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码。如：i386,alpha

    /drivers子目录包含了内核中所有的设备驱动程序，如块设备和SCSI设备。

    /fs子目录包含了所有的文件系统的代码。如:ext2,vfat等。

    /net子目录包含了内核的连网代码。

    /mm子目录包含了所有内存管理代码。

    /ipc子目录包含了进程间通信代码。

    /kernel子目录包含了主内核代码。



从何处开始阅读源代码？

    在Internet,有人制作了源代码导航器，为阅读源代码提供了良好的条件，站点为lxr.linux.no/source。

    下面给出阅读源代码的线索:

    系统的启动和初始化：

     在基于Intel的系统上，当loadlin.exe或LILO把内核装入到内存并把控制权传递给内核时，内核开始启动。关于这一部分请看， arch/i386/kernel/head.S,head.S进行特定结构的设置，然后跳转到init/main.c的main()例程。

    内存管理：

     内存管理的代码主要在/mm，但是特定结构的代码在arch/*/mm。缺页中断处理的代码在/mm/memory.c ,而内存映射和页高速缓存器的代码在/mm/filemap.c 。缓冲器高速缓存是在/mm/buffer.c 中实现，而交换高速缓存是在mm/swap_state.c和mm/swapfile.c。

    内核：

     内核中，特定结构的代码在arch/*/kernel,调度程序在kernel/sched.c,fork的代码在kernel/fork.c,内核例程 处理程序在include/linux/interrupt.h，task_struct数据结构在inlucde/linux/sched.h中。

    PCI:

    PCI伪驱动程序在drivers/pci/pci.c,其定义在inclulde/linux/pci.h。每一种结构都有一些特定的PCI BIOS代码，Intel的在arch/alpha/kernel/bios32.c中。

    进程间通信：

     所有的SystemVIPC对象权限都包含在ipc_perm数据结构中，这可以在include/linux/ipc.h中找到。SystemV消息是 在ipc/msg.c中实现。共享内存在ipc/shm.c中实现。信号量在ipc/sem.c中，管道在/ipc/pipe.c中实现。

    中断处理：

    内核的中断处理代码几乎所有的微处理器特有的。中断处理代码在arch/i386/kernel/irq.c中，其定义在include/asm-i386/irq.h中。