Linux内核系统架构介绍_linux是什么架构

28年前(1991年8月26日)Linus公开Linux的代码，开启了一个伟大的时代。这篇文章从进程调度，内存管理，设备驱动，文件系统，网络等方面讲解Linux内核系统架构。Linux的系统架构是一个经典的设计，它优秀的分层和模块化，融合了数量繁多的设备和不同的物理架构，让世界各地的内核开发者能够高效并行工作。先来看看Linus在多年前公开Linux的邮件。

"Hello everybody out there using minix - I’m doing a (free) operating system (just a hobby, won’t be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones. This has been brewing since april, and is starting to get ready. I’d like any feedback on things people like/dislike in minix, as my OS resembles it somewhat (same physical layout of the file-system (due to practical reasons) among other things).

I’ve currently ported bash(1.08) and gcc(1.40), and things seem to work. This implies that I’ll get something practical within a few months, and I’d like to know what features most people would want. Any suggestions are welcome, but I won’t promise I’ll implement them :-)

Linus (torv...@kruuna.helsinki.fi)"

事实上，从那一天开始，Linux便是博采众长，融合了非常多的优秀设计。在了解操作系统的时候，我们至少需要知道：1. 操作系统是如何管理各种资源的？2. 软硬件如何协同工作？3. 如何通过抽象化屏蔽差异 4. 软硬件如何分工？这篇文章通过对内核主要模块的介绍，希望能为大家寻找这些问题的答案起一个抛砖引玉的作用。实际上，建议每一个希望成为技术专家的人都读一遍Linux的源代码。

先来看看Linux内核一个高阶架构图：

Linux系统架构图

架构非常清晰，从硬件层，硬件抽象层，内核基础模块(进程调度，内存管理，网络协议栈等)到应用层，这个基本上也是各类软硬件结合的系统架构的基础设计，例如物联网系统(从单片机，MCU等小型嵌入式系统，到智能家居，智慧社区甚至智慧城市)在接入端设备的可参考架构模型。

Linux最初是运行在PC机上的，使用的x86架构处理器相对来说比较强大，各类指令和模式也比较齐全。例如我们看到的用户态和内核态，在一般的小型嵌入式处理器上是没有的，它的好处是通过将代码和数据段(segment)给予不同的权限，保护内核态的代码和数据(包括硬件资源)必须通过类似系统调用(SysCall)的方式才能访问，确保内核的稳定。

想象一下，如果需要你写一个操作系统，有哪些因素需要考虑？

• 进程管理：如何在多任务系统中按照调度算法分配CPU的时间片。

• 内存管理：如何实现虚拟内存和物理内存的映射，分配和回收内存。

• 文件系统：如何将硬盘的扇区组织成文件系统，实现文件的读写等操作。

• 设备管理：如何寻址，访问，读，写设备配置信息和数据。

这些概念是操作系统的核心概念，由于篇幅原因，本文章主要从高阶的角度来讲，更多细节不在本文覆盖。

进程管理

进程在不同的操作系统中有些称为process，有些称为task。操作系统中进程数据结构包含了很多元素，往往用链表连接。

进程相关的内容主要包括：虚拟地址空间，优先级，生命周期(阻塞，就绪，运行等)，占有的资源(例如信号量，文件等)。

CPU在每个系统滴答(Tick)中断产生的时候检查就绪队列里面的进程(遍历链表中的进程结构体)，如有符合调度算法的新进程需要切换，保存当前运行的进程的信息(包括栈信息等)后挂起当前进程，选择新的进程运行，这就是进程调度。

进程的优先级差异是CPU调度的基本依据，调度的终极目标是让高优先级的活动能够即时得到CPU的计算资源(即时响应)，低优先级的任务也能公平分配到CPU资源。因为需要保存进程运行的上下文(process context)等，进程的切换本身是有成本的，调度算法在进程切换频率上也需要考虑效率。