FPGA之旅

以FPGA为主导,分享一些FPGA知识,同时还会介绍51,32,arm linux编程语言,Qt等其他知识。

Linux内核粗略详解

0
阅读(1125)

  一、linux的内核管理:对内核的基本认识

  我们所谈到的操作系统主要指内核

  image.png

  以上功能没有涉及实现文本编辑、实现字处理,也没有服务等等。

  故,操作系统是一种通用软件,是平台类软件,自己并不做任何工作,只是给其他程序提供了运行环境。除操作系统之外,还有应用程序,为实现某一目的,专门设计的程序。

  那么,既然内核有这么多功能,模块化设计?各功能独立成子系统?

  显然将功能整合在一起,内核将变得非常复杂。

  二、内核的设计流派

  说说内核设计的两大流派:

  image.png

  从根本上讲,将一个事情拆成各个小问题,然后每个小问题只是复杂任务中的一个任务是linux的设计哲学之一。

  按道理,linux是微内核,但恰恰不是。

  三、linux内核设计

  原因:早期设计的时没有使用微内核的思想,linux是一步步扩展而来后来,有呼声,要将linux改为微内核,但linus拒绝,能工作能稳定的工作,就OK,更重要的是,虽然微内核是一种优良的设计思想,但时下,他跑起来一点不比单内核高效更高级,但微内核有更优良的线程,linux则表现一般。

  但linux在一步步的发展中吸取了微内核的设计经验,虽然是单内核,但是兼具微内核的特性。

  linux通过使用模块化内核设计来兼具微内核特性,但这样的模块化设计并不是像微内核一样是各个子系统,而是由核心加外围的功能性模块组成内核。而微内核子系统都是各自独立运行的,不需要依赖其他部分就能工作。而linux各模块必须依赖核心,只是能在使用时进行装载,不用时被动态卸载。linux下的模块外在表现为类型程序的库文件,只是程序库文件为.so,而内核模块为.ko(kernel object),被内核调用。

  image.png

  假设,如果驱动是内核提供的,想象下,编译好一个内核,装在主机上,万一后来发现他无法驱动我们后来新添加的新硬件设备。各种硬件都是由内核驱动的,内核没有提供这个程序。假设我们有了驱动程序,怎样才能让他驱动起来,是不是从新编译内核,这是对用户和厂商的不幸。。。。

  模块化设计得以避免这种情况,故各赢家厂商的以模块化的形式开发自己的驱动,只需针对某一特定设备开发自己驱动程序的即可,而后我们编译这些模块即可。由于linux支持动态装卸载模块,因此当我需要和不需要某一功能时,可自行拆卸,并不影响核心的运行,这就是好处和优势表现之一。

  四、内核的基本概念

  跟各种应用程序一样,内核也是一种应用程序,只不过,这种应用程序是直接操作硬件的。

  内核直接面对的是硬件,调用的是硬件接口,是通过硬件厂商和CPU厂商提供的指令集进行开发。

  开发应用程序面对的是内核,系统调用,或库调用进行的,故简单得多。

  为编写内核级的应用程序,又为了避免过于底层,固有很多库文件,可以让内核编译时使用。

  内核是直接面向硬件的,故可用资源权限很大,但内核是工作在有限地址空间内的,在linux而言,32位系统上,线性地址空间中,内核只认为自己有1G的,虽然可以掌握4G,但是自己的运行只能使用1G,剩下的3G给其他应用程序。win是个2G。故我们开发内核时可用的内存空间很有限,尤其是开发驱动,要明白自己的可用空间很有限,故需高效。

  五、从动态的角度看linux主机的运行状况

  应用程序运行在内核上,只是逻辑上的情况。但实际是直接工作在硬件上的,任意应用程序数据都在内存中,数据处理都是CPU,只是他们不能随意使用而已,要接受内核的管理。

  但CPU只有一颗,应用程序工作的时候,内核就暂停了,应用程序也在内存空间中,一旦应用程序想要访问其他硬件资源时,即要执行I/O指令时,不能执行。

  因为应用程序看不见硬件,应用程序是基于系统调用的程序,当应用程序需要访问硬件资源时时,就向CPU发起特权请求,一旦CPU收到特权请求,CPU就会唤醒内核,从而执行内核中的某段代码(非完整的内核程序),然后将结果返回给应用程序,而后内核代码退出,内核程序暂停。在这期间CPU就从用户模式转换成了内核模式,内核模式 就好似能够执行特权的模式。

  所有的应用程序在硬件上直接执行的,只是在必要时接受内核的管理和监控。

  故内核也是监控器,监控程序,是资源和进程的监控程序。

  六、CPU的时间与内核的空间

  因为内存中每一个进程都以为直接是独占CPU的,故内核即是将CPU虚拟化,提供给进程,CPU在内核级别就已经虚拟化了,通过将CPU切成时间片,随着时间流逝而完成在个进程之间分派计算能力的,CPU是以时间提供其计算能力的。

  而内存是站在空间角度进行数据容纳的。

  这就是所谓的时空转换。

  在单位时间内要能够提供的计算能力越大,必须速度越快,否则只能延长时间。这也就是我们需要更快的CPU,以节约时间。

  对于内存而言考虑的是空间问题。

  七、CPU的运算特性

  I/O是最慢的设备,我们CPU有大量时间都拿来等待I/O完成,为避免空余的没有任何意义的等待,需要等待时,就让CPU运行别的进程或线程。

  我们应该最大能力榨取CPU的计算能力,因为CPU的计算能力是随着时间时钟频率的振荡器在震荡,你用或者不用他都在跑。

  如果你让CPU空闲着,他依然耗电,而且随时间流逝,计算能力白白消逝了,因此能够让CPU工作在80-90%的利用率下,这就意味着他的生产能力得到了充分的发挥。CPU是用不坏的,没有什么磨损很消耗,是电器设备,除了功率大是发热量大,散热足够就好了,对于电器设备而言不用反而会坏。

  八、从硬件看系统启动

  内核没有生产力,生产力是由个被调用的应用程序产生,故我们应该尽量让系统运行在应用程序模式中,故内核占据的时间越少越好。而内核主要在进程切换、中断处理等相关功能上,占据时间,模式切换到目的也是为了生产完成,但进程切换与生产就没有任何意义了,中断处理可以认为与生产本身相关,因为应用要执行I/O

  内核的主要目的是完成硬件管理,而linux中有一个思想,各进程都是由其父进程衍生的,由父进程fork()而来的,那么由谁来fork()以及管理这些进程,于是有了大管家程序init,统筹管理用户空间的所有进程。用户空间的管理工作都不会由内核执行,故我们启动完内核之后,要想启动用户空间首先需要启动init,故init的PID号永远为1。init也是由其父进程fork()而来,是内核空间中的用来专门引导用户空间进程的机制。init是一个应用程序,在/sbin/init下,是一个可执行文件。


  

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/ABsjlZ_Kxx7sT89hpRQODQ

微信截图_20220708161426.png

电子技术应用专栏作家  FPGA之旅