Linux内核结构介绍

说明

通常情况下，Linux内核的结构被认为包含以下11个主要层次：

硬件抽象层 ：

提供了与硬件交互的接口，包括设备驱动程序和中断控制器等。 HAL层的主要功能是隐藏硬件细节，为其他层提供一个硬件无关的接口，使内核能够在不同的硬件平台上运行。

系统调用接口层 ：

提供了与用户空间程序交互的接口，包括系统调用和进程管理等。 SCI层是内核与用户空间之间的接口，它允许用户空间程序向内核发出请求，以获取系统资源或执行某些操作。

进程管理层 ：

管理进程和线程，包括调度、同步和通信等。 PM层负责调度进程和线程的执行，控制进程之间的同步和通信，以及提供进程间共享资源的机制。

进程调度层负责管理系统中的进程，包括进程的创建、销毁、调度等操作。 它是内核的一个核心模块，也是系统性能的关键因素之一。

进程调度层的代码位于 kernel/sched/ 目录下，主要文件包括 sched.c、task.c 和 cgroup_sched.c 等。

内存管理层

管理系统的物理内存和虚拟内存，包括内存分配和释放等。 MM层的主要任务是为进程提供内存，同时保护进程的内存空间不被其他进程破坏。

它是内核的一个核心模块，也是系统性能的关键因素之一。

内存管理层的代码位于 mm/ 目录下，主要文件包括 mmap.c、page_alloc.c 和 vmalloc.c 等。

文件系统层

提供了对文件系统的支持，包括EXT4、FAT32等文件系统的实现。 FS层的主要功能是管理文件和目录，提供对文件的读写访问，并控制文件的权限和安全性。

文件系统层的代码位于 fs/ 目录下，主要文件包括 file.c、namei.c 和 super.c 等。

网络层

实现网络协议栈，包括TCP/IP、UDP等协议的实现。 NET层提供了网络通信的功能，包括数据包的发送和接收、网络连接的管理以及网络安全等。

网络协议栈层的代码位于 net/ 目录下，主要文件包括 core.c、ipv4/ 和 ipv6/ 等。

设备驱动层

提供与硬件设备交互的接口，包括输入/输出设备驱动程序、网络设备驱动程序等。 DD层负责将内核与硬件设备连接起来，允许内核对硬件设备进行访问和控制。

设备驱动层的代码位于 drivers/ 目录下，根据设备类型的不同，代码被组织到不同的子目录中，例如网络设备的驱动代码位于 drivers/net/ 目录下。

中断处理层

处理硬件中断，包括中断的注册、响应和处理等。 IH层负责管理中断处理程序，确保系统能够快速、准确地响应硬件中断。

虚拟化层

实现虚拟化技术，包括KVM、Xen等虚拟化平台的实现。 VIRT层提供了虚拟化的能力，允许在同一物理主机上运行多个虚拟机，并提供虚拟机管理和资源调度的功能。

虚拟化层的代码位于 virt/ 目录下，主要文件包括 virtio.c、kvm/ 和 xen/ 等

安全子系统层

提供了安全机制和策略的实现，包括SELinux、AppArmor等安全子系统的实现。 SEC层为内核提供了安全的保护机制，确保系统资源的安全性和机密性。

安全模块层的代码位于 security/ 目录下，主要文件包括 security.c、capability.c 和 selinux/ 等。

调试和诊断层

提供了内核调试和诊断工具的支持，包括kdump、crash等工具的实现。 D&D层为开发人员提供了内核调试和诊断的功能，以便快速识别和修复内核问题。

其实分层不一定是这样的，因为Linux内核之间是相互交错的，所以分层不一定，从网上也可以看到有的是分了4层，有的七层不等。 当然也可以按照模块来分，其实都差不多，可能是我刚接触有些还不太明白。

硬件抽象层

1// include/linux/platform_device.h
 2
 3#ifndef _LINUX_PLATFORM_DEVICE_H
 4#define _LINUX_PLATFORM_DEVICE_H
 5
 6struct resource;
 7struct platform_device_id;
 8struct device;
 9
10/**
11 * struct platform_device - platform-level device structure
12 * @name: name of device (mandatory)
13 * @id: id of the device, usually derived from ACPI or device tree
14 * @dev: associated device structure (optional)
15 * @num_resources: number of resources associated with the device
16 * @resource: resource configuration of the device
17 * @dev.parent: parent device (optional)
18 * @driver_override: driver override name (optional)
19 * @dma_mask: dma mask (optional)
20 * @coherent_dma_mask: coherent dma mask (optional)
21 * @id_entry: identity of the device (optional)
22 * @driver_data: driver specific data
23 * @fwnode: firmware node pointer for the device node
24 * @pm_domain: power management domain of the device
25 * @extcon_dev: external connector device associated with platform device
26 *
27 * NOTE: @id_entry is for the use of platform bus only; other bus types should
28 * use their own means to associate a driver with a device.
29 */
30struct platform_device {
31    const char      *name;
32    int         id;
33    struct device       dev;
34    u32         num_resources;
35    struct resource     *resource;
36    struct device_node  *of_node;
37    struct device       *parent;
38    const char      *driver_override;
39    const u64       *dma_mask;
40    const u64       *coherent_dma_mask;
41    const struct platform_device_id *id_entry;
42    void            *driver_data;
43    struct fwnode_handle    *fwnode;
44    struct pm_domain    *pm_domain;
45#ifdef CONFIG_EXTCON
46    struct extcon_dev   *extcon_dev;
47#endif
48};
49
50/**
51 * platform_device_register() - register a platform-level device
52 * @pdev: platform-level device structure to register
53 *
54 * This function registers a platform-level device with the kernel. The device
55 * will be bound to an appropriate driver if one is available.
56 *
57 * Return: 0 on success, error code on failure.
58 */
59int platform_device_register(struct platform_device *pdev);
60
61/**
62 * platform_device_unregister() - unregister a platform-level device
63 * @pdev: platform-level device structure to unregister
64 *
65 * This function unregisters a platform-level device from the kernel. If the
66 * device was bound to a driver, the driver will be unbound from the device.
67 */
68void platform_device_unregister(struct platform_device *pdev);
69
70#endif /* _LINUX_PLATFORM_DEVICE_H */

设备驱动层

1// include/linux/device.h
 2
 3/**
 4 * struct device_driver - The basic device driver structure
 5 * @name:    Name of the device driver
 6 * @bus:    Type of bus device is on
 7 * @owner:    Module owner
 8 * @mod_name:    Used for built-in modules
 9 * @probe:    Initializes a given device
10 * @remove:    Reverses the effect of probe
11 * @shutdown:    Tear down a device prior to system shutdown
12 * @suspend:    Prepares a device for power saving mode
13 * @resume:    Wake up a device from power saving mode
14 * @groups:    Optional sysfs attribute groups
15 * @of_match_table: Matching table for OF devices
16 * @acpi_match_table: Matching table for ACPI devices
17 * @pm:        Device power management operations
18 * @probe_type: Type of probe to be used
19 * @suppress_bind_attrs: Suppress the binding/unbinding attributes
20 * @driverfs_dev: Optional driverfs device link
21 * @percpu_ref: Optional percpu reference count
22 * @p: private driver data (of the driver core)
23 * @fwnode: firmware node pointer for the device node
24 * @legacy: if true, a driver bound by OF style match will match legacy platform devices
25 * @no_driver_policy: policy for devices with missing driver
26 * @bus_rescan_devices: pointer to bus specific rescan devices function
27 * @dev_groups: Optional device specific sysfs attribute groups
28 * @sriov_configure: Optional callback for SR-IOV PF driver to configure VFs
29 * @coherent_dma_masks: Optional list of DMA masks this driver supports.
30 *                      The list should be terminated with a mask of 0.
31 *                      If the driver sets a dma_mask, it should be
32 *                      included in this list.
33 */
34struct device_driver {
35    const char *name;
36    struct bus_type *bus;
37    struct module *owner;
38    const char *mod_name;   /* used for built-in modules */
39    const struct of_device_id *of_match_table;
40    const struct acpi_device_id *acpi_match_table;
41    int (*probe) (struct device *dev);
42    int (*remove) (struct device *dev);
43    void (*shutdown) (struct device *dev);
44    int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
45    int (*resume) (struct device *dev);
46    const struct attribute_group **groups;
47    const struct dev_pm_ops *pm;
48
49    /* Set of flags used to determine driver state */
50    unsigned int driver_features;
51    enum probe_type probe_type:2;
52    unsigned int suppress_bind_attrs:1;
53    struct driver_private *p;
54
55    /* For driver core */
56    struct device_driver *next;
57    struct driver_attribute *dyn_attrs;
58#ifdef CONFIG_SYSFS
59    struct kobject kobj;
60#endif
61#ifdef CONFIG_DEBUG_DRIVER
62    unsigned long _priv[4];
63#endif
64    struct fwnode_handle *fwnode;
65    unsigned int legacy:1;
66    enum no_driver_policy no_driver_policy:2;
67    void (*bus_rescan_devices)(struct device_driver *drv);
68    const struct attribute_group **dev_groups;
69
70#ifdef CONFIG_PCI_IOV
71    int (*sriov_configure)(struct pci_dev *dev, int num_vfs);
72#endif
73    const u64 *coherent_dma_masks;
74};
75
76/**
77 * driver_register - register a device driver with the system.
78 * @drv: driver structure
79 *
80 * Returns zero on success, or a negative error code.
81 */
82int driver_register(struct device_driver *drv);
83
84/**
85 * driver_unregister - unregister a driver from the driver core.
86 * @drv: driver structure to unregister
87 */
88void driver_unregister(struct device_driver *drv);