linux 内核原理 linux最好用的系统
大家好，今天小编来为大家解答linux 内核原理这个问题，linux最好用的系统很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！
linux驱动程序结构框架及工作原理分别是什么
一、Linux device driver的概念
系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:
1、对设备初始化和释放；
2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；
3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；
4、检测和处理设备出现的错误。
在Linux操作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。
已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。
最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。
二、实例剖析
我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。
由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…，注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：
STruct file_operatiONs{
int(*seek)(struct inode*，struct file*， off_t，int);
int(*read)(struct inode*，struct file*， char，int);
int(*write)(struct inode*，struct file*， off_t，int);
int(*readdir)(struct inode*，struct file*， struct dirent*，int);
int(*select)(struct inode*，struct file*， int，select_table*);
int(*ioctl)(struct inode*，struct file*， unsined int，unsigned long);
int(*mmap)(struct inode*，struct file*， struct vm_area_struct*);
int(*open)(struct inode*，struct file*);
int(*release)(struct inode*，struct file*);
int(*fsync)(struct inode*，struct file*);
int(*fasync)(struct inode*，struct file*，int);
int(*check_media_change)(struct inode*，struct file*);
int(*revalidate)(dev_t dev);
}
这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。
下面就开始写子程序。
#include<linux/types.h>基本的类型定义
#include<linux/fs.h>文件系统使用相关的头文件
#include<linux/mm.h>
#include<linux/errno.h>
#include<asm/segment.h>
unsigned int test_major= 0;
static int read_test(struct inode*inode，struct file*file，char*buf，int count)
{
int left;用户空间和内核空间
if(verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count)==-EFAULT)
return-EFAULT;
for(left= count; left> 0; left--)
{
__put_user(1，buf，1);
buf++;
}
return count;
}
这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。为了验证BUF是否可以用。
static int write_test(struct inode*inode，struct file*file，const char*buf，int count)
{
return count;
}
static int open_test(struct inode*inode，struct file*file)
{
MOD_INC_USE_COUNT;模块计数加以，表示当前内核有个设备加载内核当中去
return 0;
}
static void release_test(struct inode*inode，struct file*file)
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
}
这几个函数都是空操作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。
struct file_operations test_fops={?
read_test，
write_test，
open_test，
release_test，
};
设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。
int init_module(void)
{
int result;
result= register_chrdev(0，"test"，&test_fops);对设备操作的整个接口
if(result< 0){
printk(KERN_INFO"test: can't get major number\n");
return result;
}
if(test_major== 0) test_major= result;/* dynamic*/
return 0;
}
在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。
如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。
void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major，"test");
}
在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。
一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。
下面编译:
$ gcc-O2-DMODULE-D__KERNEL__-c test.c–c表示输出制定名，自动生成.o文件
得到文件test.o就是一个设备驱动程序。
如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后
ld?-r?file1.o?file2.o?-o?modulename。
驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。
$ insmod?–f?test.o
如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行:
$ rmmod test
下一步要创建设备文件。
mknod/dev/test c major minor
c是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat/proc/devices
就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是从设备号，设置成0就可以了。
我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
main()
{
int testdev;
int i;
char buf[10];
testdev= open("/dev/test"，O_RDWR);
if( testdev==-1)
{
printf("Cann't open file\n");
exit(0);
}
read(testdev，buf，10);
for(i= 0; i< 10;i++)
printf("%d\n"，buf[i]);
close(testdev);
}
编译运行，看看是不是打印出全1
以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。上述给出了一个简单的字符设备驱动编写的框架和原理，更为复杂的编写需要去认真研究LINUX内核的运行机制和具体的设备运行的机制等等。希望大家好好掌握LINUX设备驱动程序编写的方法。
嵌入式系统Linux内核开发实战指南的目录
第1部分嵌入式系统硬件开发
第1章嵌入式系统概述 2
这一章对嵌入式系统的概念及其特点和应用作了概括介绍，笔者根据自己多年的经验阐述了对嵌入式系统的理解，并对一些常见的嵌入式处理器的硬件数据进行了比较。
1.1嵌入式系统概念 2
1.2嵌入式处理器 3
1.3嵌入式系统应用 4
1.4嵌入式系统发展 4
1.5一些嵌入式处理器的硬件特性比较 5
第2章 ARM处理器概述 16
为了使本书内容完整，从第2章到第7章中的内容大部分是笔者阅读《ARM体系结构与编程》（详情参见附录中的参考文献）的笔记和心得，把与嵌入式系统开发和Linux内核密切相关的硬件知识进行了概括和整理，本章主要介绍了ARM处理器的特点、ARM处理器的体系架构版本和ARM处理器系列。
2.1 ARM发展历程 16
2.2 ARM处理器特点 17
2.3 ARM处理器应用 17
2.4 ARM体系架构 18
2.4.1 ARM体系架构版本 18
2.4.2 ARM体系架构变种（Variant） 20
2.4.3 ARM体系架构版本命名格式 22
2.5 ARM处理器 22
2.5.1 ARM7系列处理器 23
2.5.2 ARM9系列处理器 24
2.5.3 ARM9E系列处理器 24
2.5.4 ARM10E系列处理器 25
2.5.5 SecurCore系列处理器 25
2.5.6 StrongARM处理器 26
2.5.7 Xscale处理器 26
第3章 ARM指令及其寻址方式 27
本章主要介绍了ARM处理器的指令和寻址方式以及ARM汇编伪指令，这是做ARM处理器应用系统底层软件开发必备的知识。
3.1 ARM处理器的程序状态寄存器（PSR） 27
3.2 ARM指令的条件码 28
3.3 ARM指令介绍 29
3.3.1跳转指令 29
3.3.2数据处理指令 30
3.3.3乘法指令 31
3.3.4杂类算术指令 32
3.3.5状态寄存器访问指令 32
3.3.6 Load/Store内存访问指令 33
3.3.7批量Load/Store内存访问指令 34
3.3.8 LDREX和STREX指令 35
3.3.9信号量操作指令 37
3.3.10异常中断产生指令 37
3.3.11 ARM协处理器指令 37
3.4 ARM指令寻址方式 39
3.4.1数据处理指令的操作数的寻址方式 39
3.4.2字及无符号字节的Load/Store指令的寻址方式 43
3.4.3杂类Load/Store指令的寻址方式 47
3.4.4批量Load/Store指令的寻址方式 49
3.4.5协处理器Load/Store指令的寻址方式 51
3.4.6 ARM指令的寻址方式总结 52
3.5 ARM汇编伪操作（Directive） 53
3.5.1符号定义伪操作 54
3.5.2数据定义伪操作 54
3.5.3汇编控制伪操作 56
3.5.4栈中数据帧描述伪操作 57
3.5.5信息报告伪操作 57
3.5.6其他伪操作 58
3.6 ARM汇编伪指令 59
3.7 Thumb指令介绍 60
第4章 ARM处理器内存管理单元（MMU） 61
本章主要介绍了ARM处理器内存管理单元（MMU）的工作原理，Linux内存管理功能是通过处理器硬件MMU实现的，在没有MMU的处理器系统中，Linux只能工作在物理地址模式，没有虚拟（线性）地址空间的概念。
4.1 ARM处理器中CP15协处理器的寄存器 61
4.1.1访问CP15寄存器的指令 61
4.1.2 CP15寄存器介绍 62
4.2 MMU简介 70
4.3系统访问存储空间的过程 71
4.3.1使能MMU时的情况 71
4.3.2禁止MMU时的情况 71
4.3.3使能/禁止MMU时应注意的问题 72
4.4 ARM处理器地址变换过程 72
4.4.1 MMU的一级映射描述符 73
4.4.2 MMU的二级映射描述符 74
4.4.3基于段的地址变换过程 75
4.4.4粗粒度大页地址变换过程 75
4.4.5粗粒度小页地址变换过程 76
4.4.6细粒度大页地址变换过程 76
4.4.7细粒度小页地址变换过程 77
4.4.8细粒度极小页地址变换过程 77
4.5 ARM存储空间访问权限控制 78
4.6 TLB操作 79
4.6.1使TLB内容无效 79
4.6.2锁定TLB内容 79
4.6.3解除TLB中被锁定的地址变换条目 80
4.7存储访问失效 80
4.7.1 MMU失效（MMU Fault） 80
4.7.2外部存储访问失效（External Abort） 81
第5章 ARM处理器的Cache和Write Buffer 82
本章主要介绍了ARM处理器高速缓存（Cache）和写缓存（Write Buffer）的工作原理，使读者了解如何提高处理器的性能。
5.1 Cache和Write Buffer一般性介绍 82
5.1.1 Cache工作原理 82
5.1.2地址映像方式 83
5.1.3 Cache写入方式原理简介 84
5.1.4关于Write-through和Write-back 85
5.1.5 Cache替换策略 86
5.1.6使用Cache的必要性 87
5.1.7使用Cache的可行性 87
5.2 ARM处理器中的Cache和Write Buffer 88
5.2.1基本概念 88
5.2.2 Cache工作原理 88
5.2.3 Cache地址映射和变换方法 89
5.2.4 Cache分类 90
5.2.5 Cache替换算法 91
5.2.6 Cache内容锁定 91
5.2.7 MMU映射描述符中B位和C位的含义 92
5.2.8 Cache和Writer Buffer编程接口 93
5.3 ARM处理器的快速上下文切换技术 94
5.3.1 FCSE概述 94
5.3.2 FCSE原理 94
5.3.3 FCSE编程接口 95
第6章 ARM处理器存储访问一致性问题 97
本章介绍了在支持MMU、Cache和DMA的系统中可能出现的存储访问一致性问题，以及Linux中解决类似问题的方法。
6.1存储访问一致性问题介绍 97
6.1.1地址映射关系变化造成的数据不一致性 97
6.1.2指令cache的数据不一致性问题 98
6.1.3 DMA造成的数据不一致问题 99
6.1.4指令预取和自修改代码 99
6.2 Linux中解决存储访问一致性问题的方法 99
第7章 ARM处理器工作模式与异常中断处理 101
本章主要介绍了ARM处理器的工作模式和异常中断处理过程，这是ARM处理器系统启动程序编写者或Bootloader开发人员的必备知识。
7.1 ARM处理器工作模式 101
7.2 ARM处理器异常中断向量表和优先级 103
7.3 ARM处理器异常中断处理 104
7.3.1进入异常中断处理 104
7.3.2退出异常中断处理 105
7.4 ARM处理器的中断（IRQ或FIQ） 109
第8章 ARM处理器启动过程 110
本章根据笔者的开发经验介绍了ARM处理器系统的启动过程以及编写ARM处理器系统启动程序需要注意的事项。
8.1 ARM处理器上电/复位操作 110
8.2 ARM处理器系统初始化过程 111
8.3 ARM处理器系统初始化编程注意事项 111
第9章嵌入式系统设计与调试 113
本章根据笔者10多年的开发经验介绍了嵌入式系统的设计流程和调试方法，列举了大量笔者工作中碰到的实际案例。本章内容对于嵌入式系统硬件开发和调试有较高的参考、指导价值。
9.1嵌入式系统设计流程 113
9.2嵌入式系统硬件原理设计与审核 114
9.3硬件设计工具软件 117
9.4嵌入式系统调试仿真工具 117
9.5嵌入式系统调试诊断方法 118
第10章自制简易JTAG下载烧写工具 123
本章根据笔者自己制作简易JTAG线缆的经验，介绍了简易JTAG线缆的硬件原理和软件流程，这是初学者必备的最廉价的工具，必须掌握。
10.1 JTAG简介 123
10.1.1一些基本概念 124
10.1.2 JTAG接口信号 124
10.1.3 TAP控制器的状态机 125
10.1.4 JTAG接口指令集 129
10.2简易JTAG线缆原理 130
10.2.1 PC并口定义 130
10.2.2 PC并口的寄存器 131
10.2.3简易JTAG线缆原理图 133
10.2.4简易JTAG线缆烧写连接图（见图10-5） 134
10.3简易JTAG烧写代码分析 135
10.3.1简易JTAG烧写程序（flashp）使用说明 135
10.3.2 flash与CPU连接及flash属性描述文件 136
10.3.3简易JTAG烧写程序的执行逻辑和流程 138
第2部分 Linux内核开发初步
第11章 Bootloader 142
本章根据笔者的工作经验介绍了流行的几种Bootloader、Bootloader应该具备的基本功能以及Bootloader的裁剪与移植。
11.1 Bootloader的任务和作用 142
11.2各种各样的Bootloader 143
11.3 Bootloader编译环境 144
11.4 Bootloader的移植与裁减 145
11.5编译Bootloader 145
11.6烧写Bootloader 146
11.7 Bootloader使用举例 148
11.8 Bootloader修改举例 149
第12章创建嵌入式Linux开发环境 151
本章介绍了如何创建嵌入式系统Linux内核交叉开发环境，本章和后续3章的内容是嵌入式系统Linux内核开发的基础，必须掌握。
12.1安装Linux host 151
12.2在虚拟机中安装Linux host 152
12.3安装Linux交叉编译环境 157
12.4在主机上设置TFTP Server 160
12.5在主机上设置DHCP Server 161
12.6在主机上设置Telnet server 161
12.7在开发过程中使用NFS 162
12.8设置超级终端 163
第13章编译Linux内核 166
本章介绍了Linux内核的配置和编译方法。
13.1获取Linux内核源代码 166
13.2 Linux内核目录结构 166
13.3配置Linux内核 167
13.4编译Linux内核 168
第14章创建Linux根文件系统 170
本章介绍了Linux的根文件系统的结构以及创建根文件系统的方法。
14.1根文件系统概述 170
14.2根文件系统目录结构 171
14.3获取根文件系统组件源代码 171
14.4编译根文件系统源代码 171
14.5创建一个32MB的RAMDISK根文件系统 173
14.6在根文件系统中添加驱动模块或者应用程序 173
第15章固化Linux内核和根文件系统 174
本章介绍了固化（烧写）Linux内核和根文件系统的方法。
第16章关于Clinux 176
本章简要介绍了Clinux与标准Linux的区别。
16.1Clinux简介 176
16.2Clinux源代码目录结构 177
16.3Clinux与标准Linux的区别 178
16.4编译Clinux 179
第3部分 Linux 2.6内核原理
第17章 Linux 2.6.10@ARM启动过程 182
本章以start_kernel()和init()函数中调用到的函数说明的方式，介绍了从Linux汇编代码入口到init内核进程最后调用用户空间init命令的Linux整个启动过程。本章内容是笔者第一次阅读Linux内核源代码时对这些函数的注释，仅供读者了解start_kernel()和init()函数中调用到的每个函数的大致功能时使用。
17.1 Linux 2.6.10中与ARM处理器平台硬件相关的结构和全局变量 182
17.1.1相关数据结构 182
17.1.2相关全局变量 187
17.2 Linux汇编代码入口 189
17.3 Linux汇编入口处CPU的状态 189
17.4 start_kernel()函数之前的汇编代码执行过程 190
17.5 start_kernel()函数中调用的函数介绍 192
17.5.1 lock_kernel()函数 192
17.5.2 page_address_init()函数 192
17.5.3 printk(linux_banner) 193
17.5.4 setup_arch(&command_line)函数 193
17.5.5 setup_per_cpu_areas()函数 198
17.5.6 smp_prepare_boot_cpu()函数 199
17.5.7 sched_init()函数 199
17.5.8 build_all_zonelists()函数 200
17.5.9 page_alloc_init()函数 200
17.5.10 printk(Kernel command line:%s\n, saved_command_line) 201
17.5.11 parse_early_param()函数 201
17.5.12 parse_args()函数 201
17.5.13 sort_main_extable()函数 202
17.5.14 trap_init()函数 202
17.5.15 rcu_init()函数 202
17.5.16 init_IRQ()函数 203
17.5.17 pidhash_init()函数 203
17.5.18 init_timers()函数 203
17.5.19 softirq_init()函数 204
17.5.20 time_init()函数 204
17.5.21 console_init()函数 205
17.5.22 profile_init()函数 206
17.5.23 local_irq_enable()函数 207
17.5.24 vfs_caches_init_early()函数 207
17.5.25 mem_init()函数 208
17.5.26 kmem_cache_init()函数 210
17.5.27 numa_policy_init()函数 225
17.5.28 calibrate_delay()函数 227
17.5.29 pidmap_init()函数 228
17.5.30 pgtable_cache_init()函数 229
17.5.31 prio_tree_init()函数 229
17.5.32 anon_vma_init()函数 229
17.5.33 fork_init(num_physpages)函数 229
17.5.34 proc_caches_init()函数 230
17.5.35 buffer_init()函数 231
17.5.36 unnamed_dev_init()函数 231
17.5.37 security_init()函数 231
17.5.38 vfs_caches_init(num_physpages)函数 232
17.5.39 radix_tree_init()函数 237
17.5.40 signals_init()函数 237
17.5.41 page_writeback_init()函数 237
17.5.42 proc_root_init()函数 238
17.5.43 check_bugs()函数 240
17.5.44 acpi_early_init()函数 244
17.5.45 rest_init()函数 244
17.6 init()进程执行过程 265
17.6.1 smp_prepare_cpus(max_cpus)函数 265
17.6.2 do_pre_smp_initcalls()函数 265
17.6.3 fixup_cpu_present_map()函数 267
17.6.4 smp_init()函数 267
17.6.5 sched_init_smp()函数 268
17.6.6 populate_rootfs()函数 268
17.6.7 do_basic_setup()函数 283
17.6.8 sys_access()函数 292
17.6.9 free_initmem()函数 301
17.6.10 unlock_kernel()函数 301
17.6.11 numa_default_policy()函数 302
17.6.12 sys_dup()函数 302
17.6.13 execve()函数 302
第18章 Linux内存管理 305
从本章开始，笔者将带领读者走进神秘的Linux内核世界。笔者在阅读内核源代码以及两本相关参考书（见参考文献）的基础上，以自己的理解和语言总结概括了Linux内核每个组件的原理。笔者对与每个内核组件相关的关键数据结构和全局变量作了尽量详尽的说明，并且对核心函数进行了详细注释，在向读者灌输理论知识的同时引导读者自己去阅读、分析Linux内核源代码。本章讲解了Linux内核第一大核心组件“内存管理”的原理和实现内幕。
18.1 Linux内存管理概述 305
18.1.1 Linux内存管理的一些基本概念 305
18.1.2内存管理相关数据结构 309
18.1.3内存管理相关宏和全局变量 330
18.1.4 Linux内存管理的任务 341
18.1.5 Linux中的物理和虚拟存储空间布局 341
18.2为虚拟（线性地址）存储空间建立页表 345
18.3设置存储空间的访问控制属性 348
18.4 Linux中的内存分配和释放 350
18.4.1在系统启动初期申请内存 350
18.4.2系统启动之后的内存分配与释放 360
第19章 Linux进程管理 480
本章讲解了Linux内核第二大核心组件“进程管理”的原理和实现内幕。
19.1进程管理概述 480
19.1.1进程相关概念 480
19.1.2进程分类 481
19.1.3 0号进程 481
19.1.4 1号进程 481
19.1.5其他一些内核线程 482
19.1.6进程描述符（struct task_struct） 482
19.1.7进程状态 482
19.1.8进程标识符（PID） 483
19.1.9 current宏定义 484
19.1.10进程链表 484
19.1.11 PID hash表和链表 485
19.1.12硬件上下文（Hardware Context） 485
19.1.13进程资源限制 485
19.1.14进程管理相关数据结构 486
19.1.15进程管理相关宏定义 502
19.1.16进程管理相关全局变量 514
19.2进程管理相关初始化 520
19.3进程创建与删除 529
19.4进程调度 551
19.4.1进程类型 553
19.4.2进程调度类型 554
19.4.3基本时间片计算方法 555
19.4.4动态优先级算法 556
19.4.5交互式进程 556
19.4.6普通进程调度 557
19.4.7实时进程调度 557
19.4.8进程调度函数分析 558
19.5进程切换 576
19.6用户态进程间通信 581
19.6.1信号（Signal） 581
19.6.2管道（pipe）和FIFO（命名管道） 627
19.6.3进程间通信原语（System V IPC） 641
第20章 Linux文件管理 651
本章讲解了Linux内核第三大核心组件“文件系统”的原理和实现内幕。
20.1文件系统概述 651
20.1.1 Linux文件管理相关概念 652
20.1.2 Linux文件管理相关数据结构 657
20.1.3 Linux文件管理相关宏定义 682
20.1.4 Linux文件管理相关全局变量 691
20.2文件管理相关初始化 699
20.3文件系统类型注册 711
20.4挂接文件系统 712
20.5文件系统类型超级块读取 730
20.5.1 get_sb_single()通用超级块读取函数 731
20.5.2 get_sb_nodev()通用超级块读取函数 737
20.5.3 get_sb_bdev()通用超级块读取函数 738
20.5.4 get_sb_pseudo()通用超级块读取函数 740
20.6路径名查找 747
20.7访问文件操作 759
20.7.1打开文件 759
20.7.2关闭文件 766
20.7.3读文件 768
20.7.4写文件 785
20.8异步I/O系统调用 792
20.9 Linux特殊文件系统 792
20.9.1 rootfs文件系统 793
20.9.2 sysfs文件系统 797
20.9.3 devfs设备文件系统 800
20.9.4 bdev块设备文件系统 803
20.9.5 ramfs文件系统 804
20.9.6 proc文件系统 804
20.10磁盘文件系统 813
20.10.1 ext2文件系统相关数据结构 813
20.10.2 ext2文件系统磁盘分区格式 819
20.10.3 ext2文件系统的各种文件 820
20.10.4创建ext2文件系统 821
20.10.5 ext2文件系统的操作方法 822
20.11关于initramfs 824
20.11.1 initramfs概述 824
20.11.2 initramfs与initrd的区别 824
20.11.3 initramfs相关全局变量 825
20.11.4 initramfs被编译链接的位置 825
20.11.5 initramfs文件的生成过程 825
20.11.6 initramfs二进制文件格式说明（cpio格式） 828
20.11.7 initramfs二进制文件和列表文件对照示例 829
20.11.8 initramfs利弊 830
20.12关于initrd 830
20.12.1 initrd概述 830
20.12.2 initrd相关全局变量 831
20.13关于gzip压缩文件 832
第21章 Linux模块设计 834
本章讲解了Linux内核模块程序与应用程序的区别以及如何编写和加载Linux内核模块程序。
21.1 Linux模块设计概述 834
21.2 Linux的内核空间和用户空间 834
21.3内核模块与应用程序的区别 835
21.4编译模块 837
21.5装载和卸载模块 837
21.6模块层叠 838
21.7模块版本依赖 839
21.8模块编程示例 839
第22章 Linux系统异常中断管理 841
本章讲解了Linux内核如何管理系统异常中断以及Linux系统调用的实现内幕。
22.1 Linux异常中断处理 841
22.2指令预取和数据访问中止异常中断处理 849
22.2.1指令预取中止异常中断处理 850
22.2.2数据访问中止异常中断处理 858
22.3 Linux中断处理 863
22.3.1内核模式下的中断处理 863
22.3.2用户模式下的中断处理 867
22.4从中断返回 868
22.5 Linux中断管理 869
22.5.1 Linux中断管理相关数据结构与全局变量 870
22.5.2 Linux中断管理初始化 872
22.5.3安装和卸载中断处理程序 874
22.5.4使能和禁止中断 878
22.6 Linux系统调用 880
22.6.1 Linux系统调用内核实现过程 880
22.6.2从系统调用返回 889
22.6.3 Linux系统调用用户程序接口函数 890
22.6.4 Linux系统调用用户接口函数与内核实现函数之间参数传递 899
第23章 Linux软中断和工作队列 901
本章讲解了Linux内核中的两种延迟处理机制“软中断”和“工作队列”的原理和实现。
23.1概述 901
23.2 Linux软中断 902
23.2.1软中断相关数据结构和全局变量 903
23.2.2软中断初始化 904
23.2.3软中断的核心操作函数do_softirq() 908
23.2.4软中断看护进程执行函数ksoftirqd() 912
23.2.5如何使用软中断 913
23.3 Linux工作队列 918
23.3.1 Linux工作队列相关数据结构和全局变量 918
23.3.2 Linux工作队列初始化 921
23.3.3将工作加入到工作队列中 924
23.3.4工作者进程执行函数worker_thread() 928
23.3.5使用Linux工作队列 931
第24章 Linux并发与竞态 933
本章讲解了Linux内核同步机制，包括几种锁定技术以及免锁算法。
24.1并发与竞态概述 933
24.1.1 Linux中的并发源 934
24.1.2竞态可能导致的后果 934
24.1.3避免竞态的规则 934
24.2消除竞态的“锁定”技术 935
24.2.1信号量（semphore）和互斥体（mutual exclusion） 935
24.2.2读写信号量（rw_semaphore） 938
24.2.3完成量（completion） 941
24.2.4自旋锁（spinlock_t） 942
24.2.5读写自旋锁（rwlock_t） 946
24.2.6使用“锁定”技术的注意事项 949
24.3消除竞态的非“锁定”方法 949
24.3.1免锁算法 949
24.3.2原子操作 950
24.3.3位操作 951
24.3.4顺序锁 952
24.3.5读-复制-更新（Read-Copy-Update，RCU） 954
第25章 Linux设备驱动程序 958
本章讲解了Linux内核第四大核心组件“设备驱动”的原理和实现内幕。同时还总结归纳了编写各种设备驱动程序的方法和步骤。
25.1设备驱动程序概述 958
25.1.1设备驱动程序组成部分 959
25.1.2设备号 959
25.1.3设备文件 960
25.1.4编写设备驱动程序的关键 961
25.2字符设备驱动程序 961
25.2.1字符设备相关数据结构 961
25.2.2字符设备相关全局变量 963
25.2.3字符设备驱动程序全局初始化 963
25.2.4为字符设备分配设备号 964
25.2.5注册字符设备驱动程序 968
25.2.6字符设备的操作方法 971
25.2.7用户对字符设备驱动程序的调用过程 972
25.2.8如何编写字符设备驱动程序 974
25.2.9关于TTY设备驱动程序 974
25.2.10控制台设备驱动程序 975
25.3块设备驱动程序 986
25.3.1块设备相关数据结构 986
25.3.2块设备相关宏定义 997
25.3.3块设备相关全局变量 999
25.3.4块设备驱动程序全局初始化 1004
25.3.5为块设备分配主设备号 1006
25.3.6注册块设备驱动程序 1009
25.3.7块设备驱动程序的操作方法 1017
25.3.8调用块设备驱动程序过程 1017
25.3.9 I/O调度 1031
25.3.10如何编写块设备驱动程序 1032
25.4网络设备驱动程序 1033
25.4.1网络设备驱动程序概述 1033
25.4.2网络设备相关数据结构 1034
25.4.3网络设备相关宏定义 1044
25.4.4网络设备相关全局变量 1045
25.4.5创建net_device结构 1046
25.4.6注册网络设备 1048
25.4.7网络设备的操作方法 1050
25.4.8网络设备中断服务程序 1051
25.4.9如何编写网络设备驱动程序 1051
25.5 PCI设备驱动程序 1052
25.5.1 PCI接口定义 1053
25.5.2 PCI设备的三个地址空间 1057
25.5.3 PCI总线仲裁 1058
25.5.4 PCI设备编号 1059
25.5.5如何访问PCI配置空间 1059
25.5.6如何配置PCI设备 1061
25.5.7 PCI驱动程序相关数据结构 1062
25.5.8 PCI驱动程序相关宏定义 1068
25.5.9 PCI驱动程序相关全局变量 1068
25.5.10 Bootloader和内核做的事 1069
25.5.11 PCI驱动程序注册 1069
25.5.12 PCI驱动程序接口函数 1071
25.5.13如何编写PCI驱动程序 1072
第4部分 Linux内核开发高级指南
第26章 Linux系统参数设置 1076
从本章开始的后续章节主要讲解了比较高级或者平时较少关注的Linux内核方面的知识，本章讲解了Linux中的4种系统参数格式和设置方法。
26.1旗语系统参数（tag） 1076
26.1.1与旗语系统参数相关数据结构和全局变量 1076
26.1.2旗语系统参数说明 1082
26.1.3旗语系统参数设置方法 1084
26.2前期命令行设置的系统参数 1084
26.2.1与前期命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1084
26.2.2前期命令行设置的系统参数说明 1085
26.2.3前期命令行系统参数设置方法 1086
26.2.4如何添加自己的前期命令行设置的系统参数 1087
26.3老式命令行系统参数 1087
26.3.1与老式命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1087
26.3.2老式命令行设置的系统参数说明 1088
26.3.3老式命令行设置的系统参数设置方法 1089
26.3.4如何添加自己的老式命令行设置的系统参数 1089
26.4命令行系统参数 1089
26.4.1与命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1089
26.4.2命令行设置的系统参数说明 1090
26.4.3命令行设置的系统参数设置方法 1090
第27章 Linux内核调试 1091
本章介绍了Linux内核的调试方法。
27.1打开Linux内核及其各模块自带的调试开关 1091
27.2内核剖析（Profiling） 1093
27.3通过打印调试（printk） 1095
27.3.1关于printk() 1095
27.3.2内核信息级别 1096
27.3.3打印速度限制 1097
27.3.4控制台重定向 1098
27.4使用proc文件系统调试 1098
27.5 oops消息 1098
27.6通过跟踪命令strace调试 1099
27.7使用gdb、kdb、kgdb调试 1099
第28章 Linux内核移植 1101
本章介绍了Linux内核的移植方法。
第29章 Linux内核优化 1104
本章介绍了Linux内核的优化方法。
29.1编译优化 1104
29.2根据CPU特性进行优化 1105
29.3对内核进行裁减 1105
29.4优化系统内存配置 1106
29.5优化系统启动过程以缩减系统启动时间 1106
29.6内存映射优化 1107
29.7工具软件辅助优化 1107
第30章 Linux定时器 1109
本章介绍了Linux内核的软件定时器。
30.1定时器相关数据结构 1109
30.2定时器相关宏定义 1111
30.3定时器相关全局变量 1112
30.4定时器和时钟初始化 1113
30.5获取系统时间 1114
30.6延迟函数 1115
30.7与定时器相关系统调用 1115
30.8使用定时器方法 1116
第31章杂项 1117
本章介绍了PER_CPU变量以及Linux中的数据类型定义。
31.1 per_cpu变量 1117
31.2 Linux中的数据类型定义 1118
第32章编译链接文件说明 1119
本章注释了ARM处理器系统中Linux内核的链接文件，以帮助读者了解编译出来的Linux内核各区段在内存中的存放位置。
参考文献 1125
linux操作系统要学多久
掌握Linux操作系统，一个月时间足矣。初学者首当其要的是下载并安装Linux系统。随后，系统中的常用命令需了然于胸，通过在命令行不断实践，熟悉这些命令的使用。紧接着，安装并配置各种常用软件，使Linux系统功能更加完备。掌握基本的命令与软件后，转战图形界面操作，通常一至两天内即可熟练操作。经过以上训练，维护单位的Linux服务器已不在话下。
深入学习Linux，还需掌握其内核原理与系统管理技巧。内核原理涉及进程、内存管理、文件系统等方面，需理论与实践并重，深入理解。系统管理技巧则包括备份、恢复、性能优化等，需通过实践操作，积累经验。同时，熟悉Linux下的常用工具，如SSH、FTP、SFTP等，对于提升工作效率大有裨益。
进阶学习Linux，涉及的领域广泛，如网络安全、容器技术、虚拟化、云计算等。网络安全是保护系统安全的重要环节，学习Linux下的防火墙、SELinux等安全策略，是不可或缺的一部分。容器技术，如Docker，简化应用部署与管理，提高开发效率。虚拟化技术，如KVM、Xen，实现资源的高效利用。云计算平台，如OpenStack、AWS等，提供灵活的计算、存储与网络服务。
总结而言，Linux操作系统的学习是一个循序渐进的过程，从基本命令熟悉，到系统管理，再到深入的内核原理与进阶技术，每个阶段都需付出努力。通过实践操作，积累经验，逐步掌握Linux操作系统的精髓，为日后的工作与学习打下坚实的基础。
