kernel nand flash 一文让你详细了解Linux内核的整体架构(图文演示)

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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一文让你详细了解Linux内核的整体架构(图文演示)

前言： 本文和其它的“Linux内核分析”文章都基于如下约定：内核版本为Linux 3.10.29（该版本是一个long term的版本，会被Linux社区持续维护至少2年），可以从下面的链接获取：https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.10.29.tar.xz ，鉴于嵌入式系统大多使用ARM处理器，因此涉及到体系结构部分的内容，都以ARM为分析对象。

一，Linux内核的核心功能

如下图所示，Linux内核只是Linux操作系统一部分。对下，它管理系统的所有硬件设备；对上，它通过系统调用，向Library Routine（例如C库）或者其它应用程序提供接口。

因此，其核心功能就是：管理硬件设备，供应用程序使用 。而现代计算机（无论是PC还是嵌入式系统）的标准组成，就是CPU、Memory（内存和外存）、输入输出设备、网络设备和其它的外围设备。所以为了管理这些设备，Linux内核提出了如下的架构。

二，Linux内核的整体架构

整体架构和子系统划分

上图说明了Linux内核的整体架构。根据内核的核心功能，Linux内核提出了5个子系统，分别负责如下的功能：

1. Process Scheduler，也称作进程管理、进程调度。负责管理CPU资源，以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。

2. Memory Manager，内存管理。负责管理Memory（内存）资源，以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。另外，内存管理会提供虚拟内存的机制，该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存，不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中，需要使用的时候，再取回到内存中。

3. VFS（Virtual File System），虚拟文件系统。Linux内核将不同功能的外部设备，例如Disk设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现（其实Linux做的并不彻底，因为CPU、内存、网络等还不是文件，如果真的需要一切皆是文件，还得看贝尔实验室正在开发的"Plan 9”的）。

4. Network，网络子系统。负责管理系统的网络设备，并实现多种多样的网络标准。

5. IPC（Inter-Process Communication），进程间通信。IPC不管理任何的硬件，它主要负责Linux系统中进程之间的通信。

进程调度（Process Scheduler)

进程调度是Linux内核中最重要的子系统，它主要提供对CPU的访问控制。因为在计算机中，CPU资源是有限的，而众多的应用程序都要使用CPU资源，所以需要“进程调度子系统”对CPU进行调度管理。

进程调度子系统包括4个子模块（见下图），它们的功能如下：

1. Scheduling Policy，实现进程调度的策略，它决定哪个（或哪几个）进程将拥有CPU。

2. Architecture-specific Schedulers，体系结构相关的部分，用于将对不同CPU的控制，抽象为统一的接口。这些控制主要在suspend和resume进程时使用，牵涉到CPU的寄存器访问、汇编指令操作等。

3. Architecture-independent Scheduler，体系结构无关的部分。它会和“Scheduling Policy模块”沟通，决定接下来要执行哪个进程，然后通过“Architecture-specific Schedulers模块”resume指定的进程。

4. System Call Interface，系统调用接口。进程调度子系统通过系统调用接口，将需要提供给用户空间的接口开放出去，同时屏蔽掉不需要用户空间程序关心的细节。

内存管理（Memory Manager, MM)

内存管理同样是Linux内核中最重要的子系统，它主要提供对内存资源的访问控制。Linux系统会在硬件物理内存和进程所使用的内存（称作虚拟内存）之间建立一种映射关系，这种映射是以进程为单位，因而不同的进程可以使用相同的虚拟内存，而这些相同的虚拟内存，可以映射到不同的物理内存上。

内存管理子系统包括3个子模块（见下图），它们的功能如下：

1. Architecture Specific Managers，体系结构相关部分。提供用于访问硬件Memory的虚拟接口。

2. Architecture Independent Manager，体系结构无关部分。提供所有的内存管理机制，包括：以进程为单位的memory mapping；虚拟内存的Swapping。

3. System Call Interface，系统调用接口。通过该接口，向用户空间程序应用程序提供内存的分配、释放，文件的map等功能。

虚拟文件系统（Virtual Filesystem, VFS）

传统意义上的文件系统，是一种存储和组织计算机数据的方法。它用易懂、人性化的方法（文件和目录结构），抽象计算机磁盘、硬盘等设备上冰冷的数据块，从而使对它们的查找和访问变得容易。因而文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。

随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。

我们可以从磁盘、硬盘、NAND Flash等设备中读取或写入数据，因而最初的文件系统都是构建在这些设备之上的。这个概念也可以推广到其它的硬件设备，例如内存、显示器（LCD）、键盘、串口等等。我们对硬件设备的访问控制，也可以归纳为读取或者写入数据，因而可以用统一的文件操作接口访问。Linux内核就是这样做的，除了传统的磁盘文件系统之外，它还抽象出了设备文件系统、内存文件系统等等。这些逻辑，都是由VFS子系统实现。

VFS子系统包括6个子模块（见下图），它们的功能如下：

1. Device Drivers，设备驱动，用于控制所有的外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备（特别是嵌入式产品），所以也有非常多的设备驱动。因此，Linux内核中将近一半的Source Code都是设备驱动，大多数的Linux底层工程师（特别是国内的企业）都是在编写或者维护设备驱动，而无暇估计其它内容（它们恰恰是Linux内核的精髓所在）。

2. Device Independent Interface，该模块定义了描述硬件设备的统一方式（统一设备模型），所有的设备驱动都遵守这个定义，可以降低开发的难度。同时可以用一致的形势向上提供接口。

3. Logical Systems，每一种文件系统，都会对应一个Logical System（逻辑文件系统），它会实现具体的文件系统逻辑。

4. System Independent Interface，该模块负责以统一的接口（快设备和字符设备）表示硬件设备和逻辑文件系统，这样上层软件就不再关心具体的硬件形态了。

5. System Call Interface，系统调用接口，向用户空间提供访问文件系统和硬件设备的统一的接口。

网络子系统（Net）

网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备，并实现各种网络协议栈，最终实现通过网络连接其它系统的功能。在Linux内核中，网络子系统几乎是自成体系，它包括5个子模块（见下图），它们的功能如下：

1. Network Device Drivers，网络设备的驱动，和VFS子系统中的设备驱动是一样的。

2. Device Independent Interface，和VFS子系统中的是一样的。

3. Network Protocols，实现各种网络传输协议，例如IP, TCP, UDP等等。

4. Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬件设备和网络协议，以相同的格式提供接口（socket)。

5. System Call interface，系统调用接口，向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。

Linux内核源代码的目录结构：

Linux内核源代码包括三个主要部分：

1. 内核核心代码，包括第3章所描述的各个子系统和子模块，以及其它的支撑子系统，例如电源管理、Linux初始化等

2. 其它非核心代码，例如库文件（因为Linux内核是一个自包含的内核，即内核不依赖其它的任何软件，自己就可以编译通过）、固件集合、KVM（虚拟机技术）等

3. 编译脚本、配置文件、帮助文档、版权说明等辅助性文件

下图示使用ls命令看到的内核源代码的顶层目录结构，具体描述如下。

include/ ---- 内核头文件，需要提供给外部模块（例如用户空间代码）使用。kernel/ ---- Linux内核的核心代码，包含了3.2小节所描述的进程调度子系统，以及和进程调度相关的模块。mm/ ---- 内存管理子系统（3.3小节）。fs/ ---- VFS子系统（3.4小节）。net/ ---- 不包括网络设备驱动的网络子系统（3.5小节）。ipc/ ---- IPC（进程间通信）子系统。arch// ---- 体系结构相关的代码，例如arm, x86等等。arch//mach- ---- 具体的machine/board相关的代码。arch//include/asm ---- 体系结构相关的头文件。arch//boot/dts ---- 设备树（Device Tree）文件。init/ ---- Linux系统启动初始化相关的代码。block/ ---- 提供块设备的层次。sound/ ---- 音频相关的驱动及子系统，可以看作“音频子系统”。drivers/ ---- 设备驱动（在Linux kernel 3.10中，设备驱动占了49.4的代码量）。lib/ ---- 实现需要在内核中使用的库函数，例如CRC、FIFO、list、MD5等。crypto/ ----- 加密、解密相关的库函数。security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。virt/ ---- 提供虚拟机技术（KVM等）的支持。usr/ ---- 用于生成initramfs的代码。firmware/ ---- 保存用于驱动第三方设备的固件。samples/ ---- 一些示例代码。tools/ ---- 一些常用工具，如性能剖析、自测试等。Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于内核编译的配置文件、脚本等。COPYING ---- 版权声明。MAINTAINERS ----维护者名单。CREDITS ---- Linux主要的贡献者名单。REPORTING-BUGS ---- Bug上报的指南。Documentation, README ---- 帮助、说明文档。

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Linux 的启动流程

本篇的重点是讲解设备和驱动的启动流程，设备和驱动的流程是整个内核启动的核心，也是工作中最常面对的问题。出于知识点的系统性考虑，在进入主题之前我们先看下整个 Linux 在 ARM 中的启动流程如何。

Uboot 的启动流程

ARM Linux 的启动流程大致为：Uboot → Kernel → Root filesystem。Uboot 在上电的时候就拿到 CPU 的控制权，实现了硬件的初始化。具体是怎么实现的呢？一起来看一下，CPU 的内部集成了小容量的 Sram，而 PC 指针一上电就指向 Sram 的起始地址 0x00000000，所以一上电 Uboot 代码就得到了运行。

Uboot 拿到 CPU 使用权就开始做初始化工作，比如关闭看门狗、设置 CPU 运行模式、设置堆栈、初始化内存、网卡、nand flash 等，最后把 Linux 内核加载到内存中。

初始化 RAM

因为内核要在 RAM 中运行，所以在调用内核之前必须初始化和设置 RAM，为调用内核做好准备。

初始化串口

内核在启动过程中可以将信息通过串口输出，这样就可以清楚的知道内核启动信息。虽然串口不是 Uboot 必须要完成的工作，但是通过串口可以方便调试 Uboot 和内核的各种信息。

检测处理器类型

Uboot 在调用内核前需要检测系统的处理器类型，并将其保存在某个变量中提供给内核，内核在启动过程中会根据该处理器的类型调用相应的初始化程序。

设置内核启动参数

内核在启动过程中会根据该启动参数进行相应的初始化工作。

调用内核镜像

值得注意的是存储 Uboot 的存储器不同，Uboot 的执行过程也并不相同，一般来讲 Flash 分为 nor Flash 和 nand Flash 两种：nor Flash 支持芯片内执行（XIP，eXecute In Place），这样代码可以在 Flash 上直接执行而不必复制到 RAM 中去执行。

但是 nand Flash 并不支持 XIP，所以要想执行 nand Flash 上的代码，必须先将其复制到 RAM 中去，然后跳到 RAM 中去执行。如果内核存放在 nor Flash 中，那么可直接跳转到内核中去执行。但通常由于在 nor Flash 中执行代码会有种种限制，而且速度也远不及 RAM 快，所以一般的嵌入式系统都是将内核复制到 RAM 中，然后跳转到 RAM 中去执行。不论哪种情况，在跳到内核执行之前 CPU 的寄存器必须满足以下条件：r0 ＝ 0，r1 ＝处理器类型，r2 ＝标记列表在 RAM 中的地址。

Linux 内核的启动流程（设备和驱动的加载）

关于 Uboot 的启动本课程不做详细介绍，因为本课程的主要内容是内核。在讲述内核启动之前让我们先了解下内核的组成结构：

其中，

（1）vmlinusx 是 ELF 格式的 Object 文件，这种文件只是各个源代码经过连接以后得到的文件，并不能在 ARM 平台上运行。

（2）经过 objcopy 这个工具转换以后，得到了二进制格式文件 Image，Image 文件相比于 vmlinusx 文件，除了格式不同以外，还被去除了许多注释和调试的信息。

（3）Image 文件经过压缩以后得到了 piggy.gz，这个文件仅仅是 Image 的压缩版，并无其他不同。

（4）接着编译生成另外几个模块文件 misc.o、big_endian.o、head.o、head-xscale.o，这几个文件组成一个叫 Bootstrap Loader 的组件，又叫引导程序，编译生成 piggy.o 文件。

（5）最后 piggy.o 文件和 Bootstrap Loader 组成一个 Bootable Kernel Image 文件（可启动文件）。

经过上面的分析不难知道 piggy.o 就是内核镜像，而剩下的几个文件就组成了引导程序。知道了内核的组成结构，Uboot 就是按照内核的组成结构一层一层剥开然后引导内核的：

可以说 start_kernel() 之前的所有工作都是为了将环境准备好，满足 start_kernel() 的要求，然后由 start_kernel() 开始进行内核的加载：

关于 start_kernl() 函数的内容太多，可以通过红色回调函数看出，start_kernel() 函数基本是在回调很多对应的注册函数。为了本系列课程的结构性这里就不展开所有知识点讲解，本篇内容接着前一篇设备树的内容重点讲解下设备和驱动的匹配过程。

还记得上一篇讲到的设备树三大作用吗？

平台标识；运行时配置；设备信息集合。

接下来我们就看看内核在启动的时候是如何寻找设备，驱动又如何和设备绑定的。

首先在平台目录下可以看到有很多平台描述的文件，如图：

有那么多的平台，我们到底要执行哪个平台是首先要考虑的事情。这也是设备三大功能的第一个功能——平台标识。

设备树里有对设备根节点的 Compatible 描述，平台文件里有对 __initconst 的描述，如果两个字段一致则找到了对应的板级文件，这样就通过设备树把要用的设备平台与其他平台区分开来了，如图：

找到平台后就可以根据回调函数的指针调用该平台的注册函数。这里以飞思卡尔 imx.6dl 平台为例，回调的时候会调用 imx6q_init_machine() 函数，如下：

这里补充一个知识点，细心的读者也许发现了在 Compatible 字段里用逗号分隔了两个字符串。板级匹配的时候用的是哪个字符串，另外一个字符串又是做什么用？首先后面的字段 "fsl,imx6dl" 是抽象共用平台描述符，前面的字段 "fsl,imx6dl-sabresd" 是通用平台下的具体平台描述符，可以理解为母板和子板的区别。在具体的子板文件中我们可以通过前面的字段进行设备信息的获取，如图：

接着是运行时配置，让内核在启动的时候根据参数设置进行不同的处理。有经验的读者清楚在 Uboot 里也有对 Bootargs 的配置，这里为什么多此一举呢，是为了在 Uboot 中更灵活的对内核启动进行配置。最后的作用就是设备信息集合，这是设备和驱动匹配的核心，也是工作中面对最多的情况。出于这一作用的内容是工作中经常遇到的重点也是难点，我们专门用一篇内容来详细讲解各级设备是如何展开的，并且手把手教你如何定制一套自己的开发板全新案例。

一文让你详细了解Linux内核的整体架构(图文演示)

一，Linux内核的核心功能

二，Linux内核的整体架构

Linux 的启动流程

Uboot 的启动流程

Linux 内核的启动流程（设备和驱动的加载）

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