linux内核探索

对待知识领域，我们总喜欢去下一个定义。 *** 作系统是我们每天工作都要使用的东西，由于现代商业 *** 作系统的复杂性和没有统一的标准，若对一个 *** 作系统下定义并不能精确的描述 *** 作系统所属领域。根据经验我们可以认为 *** 作系统就是在整个应用系统中负责最基本功能和系统管理的那部分。包括内核、设备驱动程序、启动引导程序、命令行Shell或者GUI界面、基本文件管理工具和系统工具。

严格的来讲linux只是 *** 作系统内核本身，广义上的linux则常用来指基于linux内二的完整的 *** 作系统，它包括GUI组件和其它许多工具。

GUI其实只是 *** 作系统的表象，内核才是 *** 作系统内在的核心。系统的其它部分必须依靠内核所提供的服务，像管理硬件设备、分配系统资源等，内核有时候被称为管理者或者 *** 作系统核心。

通常一个内核由负责响应中断的中断服务程序，负责进程调度的CPU调度程序，负责管理进程地址空间的内存管理程序以及网络、进程间通信等系统服务共同组成的。

内核在有安全机制的 *** 作系统中不同于普通程序，一般处于系统态(内核态)，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。这种系统状态和被保护起来的内存空间，统称为 内核空间 。

与内核空间相对的，用户所执行的应用程序在用户空间执行。用户态的应用程序只能访问允许它们使用的系统资源，并且只使用某些特定的系统功能，不能直接访问硬件，也不能访问内核划分给其它应用程序的内存空间。

应用程序通过系统调用来和内核通信，当一个应用程序发起系统调用时，内核便代其执行。在这种情况下应用程序通过系统调用在内核空间运行，而内核被称为运行在进程上下文中。应用程序通过系统调用进入内核空间时应用完成其工作的基本方式。

*** 作系统内核可分为两大阵营：单内核和微内核。

单内核是一种较为简单的设计，通常以单个静态二进制文件存储在磁盘中，整体上作为一个单独的大过程，所有的内核服务都在这样的一个大内核地址空间上运行。内核服务都处于内核态，并身处同一内核地址空间，之间可以几乎无性能损耗的相互通信。

单内核具有简单和高性能等特点。

微内核根据功能被分割成多个独立的过程，每个过程都叫做一个服务器。所有的服务器都运行在各自的地址空间上（大部分处于用户空间），只有强烈请求特权服务的服务器才运行在特权模式下。

微内核服务器之间不能直接调用函数通信，而是通过 消息传递 通信。系统采用进程间通信(IPC)机制，服务之间各自独立，通过IPC互换消息，有效的避免了服务之间的失败传染。

IPC机制的开销远高于函数调用，而且在运行时还会牵扯到内核空间和用户空间上下文切换，所以消息传递需要一些开销。所以在内核的实际实现上大部分微内核的 *** 作系统也会让大部分的服务放置与内核中，这样就可以直接调用函数，消除消息传递的开销。

windows NT和Mach(Mac OS X)都是典型的微内核，不过在实际实现上，其所有服务都运行在内核空间。

linux是一个单内核，不过linux汲取了微内核的精华，并拥有模块化设计、抢占式内核、支持内核线程以及动态装载内核模块等特性。

linux内核在设计时充分参考了已有的很多UNIX的内核实现，并且有一些创新方案。linux内核和传统的UNIX系统之间存在一些显著的差异：

本文的写作和学习中参考了以下资料

1《Linux Kenel Development ~ Thrid Edition 》

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。地址分配如下图所示

　内核地址空间分布

直接映射区：线性空间中从3G开始最大896M的区间，为直接内存映射区，该区域的线性地址和物理地址存在线性转换关系：线性地址=3G+物理地址。

动态内存映射区:该区域由内核函数vmalloc来分配，特点是：线性空间连续，但是对应的物理空间不一定连续。vmalloc分配的线性地址所对应的物理页可能处于低端内存，也可能处于高端内存。

永久内存映射区：该区域可访问高端内存。访问方法是使用alloc_page(_GFP_HIGHMEM)分配高端内存页或者使用kmap函数将分配到的高端内存映射到该区域。

固定映射区：该区域和4G的顶端只有4k的隔离带，其每个地址项都服务于特定的用途，如ACPI_BASE等。

做不到。 内核并不是一个独立的进程，只是说某个用户进程通过调用系统函数进入内核空间，执行完系统函数就要返回的。 如果要调用别的程序在用户空间就可以做，或者可以去查查进程间通信的方法。

64位的linux采用4级页表，支持的最大物理内存为64T。

对于虚拟地址空间的划分，将0x0000,0000,0000,0000 – 0x0000,7fff,ffff,f000这128T地址用于用户空间；而0xffff,8000,0000,0000以上的128T为系统空间地址。

正如图中看到的一样，存在着两种WiFi设备，具体是哪一类要看IEEE80211标准的MLME如何实现。

如果直接通过硬件实现，那么设备就是硬MAC(fullMAC)设备;如果通过软件的方式实现，那么设备就是软MAC(softMAC)设备。现阶段大部分无线设备都是软件实现的软MAC设备。

通常我们把Linux内核无线子系统看成两大块：cfg80211和mac80211，它们连通内核其他模块和用户空间的应用程序。

特别指出，cfg80211在内核空间提供配置管理服务，内核与应用层通过nl80211实现配置管理接口。需要记住的是，

硬MAC设备和软MAC设备都需要cfg80211才能工作。而mac80211只是一个驱动API，它只支持软件实现的软MAC设备。

接下来，我们主要关注软MAC设备。

Linux内核无线子系统统一各种WiFi设备，并处理OSI模型中最底层的MAC、PHY两层。

若进一步划分，MAC层可以分为MAC高层和MAC底层。前者负责管理MAC层无线网络的探测发现、身份认证、关联等;

后者实现MAC层如ACK等紧急 *** 作。大部分情况下，硬件(如无线适配器)处理大部分的PHY层以及MAC底层 *** 作。Linux子系统实现大部分的MAC高层回调函数。

2模块间接口

从图一中我们可以看出，各个模块之间分界线很清晰，并且模块间相互透明不可见。模块之间一般不会相互影响。

举个例子，我们在WiFi设备驱动做修改(如，打补丁、添加新的WiFi驱动等)，这些变更并不会影响到mac80211模块，

所以我们根本不用改动mac80211的代码。再如，回龙观北大青鸟建议添加一个新的网络协议理论上是不用修改套接字层以及设备无关层代码。一般情况下，内核通过一系列的函数指针实现各层之间相互透明。

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