(LDD) Ch01-Linux內(nèi)核簡(jiǎn)介(轉(zhuǎn)載)
      第1章 Linux內(nèi)核簡(jiǎn)介
       
       
      世界各地都有人在鉆研Linux內(nèi)核，大多是在寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。盡管每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都不一
      樣，而且你還要知道自己設(shè)備的特殊性，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的許多原則和基本技術(shù)
      技巧都是一樣的。通過(guò)本書，可以學(xué)會(huì)寫自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并且可以鉆研內(nèi)核的相
      關(guān)部分。本書涉及到的是設(shè)備無(wú)關(guān)編程技巧，不會(huì)將例子跟特殊設(shè)備綁定在一起。
       
      本章沒有實(shí)際編寫代碼。但我要介紹一些關(guān)于Linux內(nèi)核的背景概念，這樣到我們稍后開
      始介紹實(shí)際編程時(shí)，就很順利了。
       
      當(dāng)你學(xué)習(xí)編寫驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)很多關(guān)于Linux內(nèi)核的知識(shí)，這對(duì)理解你機(jī)器
      怎么工作很有幫助，并且還可以知道為什么你的機(jī)器沒有希望的那么快，或者為什么不
      按照你象要它做的那樣做。我們會(huì)逐漸介紹一些新概念，先從簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序開始，每
      介紹一些新概念都會(huì)看到相關(guān)例子代碼，這些代碼都不需要特殊硬件。

      介紹一些新概念都會(huì)看到相關(guān)例子代碼，這些代碼都不需要特殊硬件。
       
      驅(qū)動(dòng)程序作者的作用
      作為一個(gè)程序員，你可以選擇自己的驅(qū)動(dòng)程序，在編程所需時(shí)間和結(jié)果的靈活性之間做
      個(gè)可以接受的權(quán)衡。盡管說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序的靈活性看起來(lái)有那么點(diǎn)怪，我喜歡這個(gè)詞是因?yàn)?      它強(qiáng)調(diào)了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的是機(jī)制，而不是策略。
       
      機(jī)制和策略之間的差別是Unix設(shè)計(jì)背后最好的點(diǎn)子之一。實(shí)際編程中遇到的大多數(shù)問(wèn)題
      都可以被劃分成兩個(gè)部分：“需要作什么”（機(jī)制）和“這個(gè)程序怎么用”（策略）。
      如果這兩個(gè)主題是由程序不同部分來(lái)承擔(dān)的，或者是由不同的程序組合一起承擔(dān)的，那
      么這個(gè)軟件包就很容易開發(fā)，也很適合特殊需求。
       
      舉個(gè)例子，Unix的圖形顯示管理在X服務(wù)器和窗口管理器之間劃了一道線，X服務(wù)器了解
      硬件并給用戶程序提供唯一的接口，而窗口管理器實(shí)現(xiàn)特殊的策略并不需要知道硬件的
      任何信息。人們可以在不同硬件上使用同樣的窗口管理器，并且不同用戶在同一臺(tái)工作
      站上可以使用不同的設(shè)置。另一個(gè)例子是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：操作系統(tǒng)提供抽象的
      套接字操作，是設(shè)備無(wú)關(guān)的，不同服務(wù)器主管這個(gè)服務(wù)。另外，ftpd服務(wù)器提供文件傳
      輸機(jī)制，而用戶可以使用任何客戶端程序；命令行的客戶端和圖形化界面的客戶端都存
      在，并且誰(shuí)都可以為傳輸文件寫一個(gè)新的用戶界面。
       
      只要涉及到驅(qū)動(dòng)程序，就會(huì)運(yùn)用這樣的功能劃分。軟盤驅(qū)動(dòng)程序是設(shè)備無(wú)關(guān)的——這不
      僅表現(xiàn)在磁盤是一個(gè)連續(xù)讀寫的字節(jié)數(shù)組上。如何使用設(shè)備是應(yīng)用程序要做的事：tar要
      連續(xù)地寫數(shù)據(jù)，而mkfs則為要安裝的設(shè)備做準(zhǔn)備工作，mcopy依賴于設(shè)備上存在的特殊數(shù)

      連續(xù)地寫數(shù)據(jù)，而mkfs則為要安裝的設(shè)備做準(zhǔn)備工作，mcopy依賴于設(shè)備上存在的特殊數(shù)
      據(jù)結(jié)構(gòu)。
       
      在寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，程序員應(yīng)該特別留心這樣的基本問(wèn)題：我們要寫內(nèi)核代碼訪問(wèn)硬件，
      但由于不同用戶有不同需要，我們不能強(qiáng)迫用戶采用什么樣的特定策略。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
      應(yīng)該僅僅處理硬件，將如何使用硬件的問(wèn)題留給應(yīng)用程序。如果在提供獲得硬件能力的
      同時(shí)沒有增加限制，我們就說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序是靈活的。不過(guò)，有時(shí)必須要作一些策略決策。
       
      可以從不同側(cè)面來(lái)看你的驅(qū)動(dòng)程序：它是位于應(yīng)用層和實(shí)際設(shè)備之間的軟件。驅(qū)動(dòng)程序
      的程序員可以選擇這個(gè)設(shè)備應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)：不同的驅(qū)動(dòng)程序可以提供不同的能力，甚至
      相同的設(shè)備也可以提供不同能力。實(shí)際驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)應(yīng)該是在眾多需求之間的一個(gè)平衡
      。例如，不同程序可以同時(shí)使用同一個(gè)設(shè)備，而驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)者可以完全自由地決定
      如何處理同步機(jī)制。你可以實(shí)現(xiàn)到設(shè)備上的內(nèi)存映射，而完成獨(dú)立于硬件的具體能力，
      或者你可以提供給用戶函數(shù)庫(kù)，幫助應(yīng)用程序的程序員在可用原語(yǔ)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新策略
      ，或者諸如此類的方法。一個(gè)很重要需要考慮的問(wèn)題就是，如何在提供給用戶盡可能多
      的選項(xiàng)，平衡你需要編寫所花費(fèi)的時(shí)間，以及為使錯(cuò)誤盡可能少而保持代碼簡(jiǎn)單之間的
      平衡。
       
      如果即為同步又為異步操作設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，如果允許同時(shí)打開多次，并且如果能夠發(fā)掘
      所有硬件功能，而不用增加軟件層“去簡(jiǎn)化事情”——例如將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本或
      者策略相關(guān)的操作——那就很容易編寫而且很好維護(hù)了。達(dá)成“策略無(wú)關(guān)”實(shí)際上是軟
      件設(shè)計(jì)的共同目標(biāo)。
       

       
      實(shí)際上，大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是和用戶程序一起發(fā)布的，這些程序可以幫助完成對(duì)目標(biāo)
      設(shè)備的配置和訪問(wèn)。這些程序可以是從簡(jiǎn)單的配置程序到完整的圖形應(yīng)用。通常還要提
      供一個(gè)客戶端庫(kù)文件。
       
      本書討論范圍是內(nèi)核，所以我們不考慮策略問(wèn)題，也不考慮應(yīng)用程序或支持庫(kù)。有時(shí)，
      我們會(huì)討論不同策略，以及如何支持這些策略，但我們不會(huì)深入到使用一定策略或設(shè)備
      編程需要的細(xì)節(jié)問(wèn)題。不過(guò)你應(yīng)該可以理解，用戶程序是一個(gè)軟件包的內(nèi)核，就算策略
      無(wú)關(guān)的軟件包也會(huì)和配置文件一起發(fā)布，這些文件提供了基本機(jī)制上的缺省行為。
       
      劃分內(nèi)核
      在Unix系統(tǒng)中，若干并發(fā)進(jìn)程會(huì)參加不同的任務(wù)。每個(gè)進(jìn)程都要求獲得系統(tǒng)資源，可以
      是計(jì)算、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接或別的資源。內(nèi)核是一整塊可執(zhí)行代碼，用它來(lái)負(fù)責(zé)處理所有
      這樣的請(qǐng)求。盡管在不同的內(nèi)核任務(wù)之間的區(qū)別不是總能清楚地標(biāo)識(shí)出來(lái)，內(nèi)核的作用
      還是可以被劃分的。如圖1-1所示，劃分為如下這些部分：
       
      進(jìn)程管理
       
      內(nèi)核負(fù)責(zé)創(chuàng)建和終止進(jìn)程，并且處理它們和外部世界的聯(lián)系（輸入和輸出）。對(duì)整個(gè)系
      統(tǒng)功能來(lái)講，不同進(jìn)程之間的通信（通過(guò)信號(hào)，管道，進(jìn)程間通信原語(yǔ)）是基本的，這
      也是由內(nèi)核來(lái)處理的。另外，調(diào)度器，可能是整個(gè)操作系統(tǒng)中最關(guān)鍵的例程，是進(jìn)程管
      理中的一部分。更廣廣義的說(shuō)，內(nèi)核的進(jìn)程管理活動(dòng)實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)CPU上多個(gè)進(jìn)程的抽象
      概念。

      概念。
       
      內(nèi)存管理
       
      計(jì)算機(jī)內(nèi)存是主要資源，而使用內(nèi)存的策略是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)
      程在有限可利用的資源上建立了虛擬地址空間。內(nèi)核不同部分通過(guò)一組函數(shù)與內(nèi)存管理
      子系統(tǒng)交互，這些包括從簡(jiǎn)單的malloc/free到更稀奇古怪的功能。
       
      （圖1-1）
       
      文件系統(tǒng)
       
      Unix系統(tǒng)是建立在文件系統(tǒng)這個(gè)概念上的；Unix里幾乎所有東西都可以看作文件。內(nèi)核
      在非結(jié)構(gòu)的硬件上建立了結(jié)構(gòu)化的文件系統(tǒng)，這個(gè)抽象的文件被系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。另外，L
      inux支持多文件系統(tǒng)類型，即，物理介質(zhì)上對(duì)數(shù)據(jù)的不同組織方法。
       
      設(shè)備控制
       
      幾乎每種系統(tǒng)操作最后都要映射到物理設(shè)備上。除了處理器，內(nèi)存和少數(shù)其他實(shí)體外，
      幾乎所有設(shè)備的控制操作都由設(shè)備相關(guān)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些代碼就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。內(nèi)
      核必須為每個(gè)外部設(shè)備嵌入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，從硬盤驅(qū)動(dòng)器到鍵盤和磁帶。內(nèi)核的這方面
      功能就是本書的著眼點(diǎn)。
       

       
      網(wǎng)絡(luò)
       
      網(wǎng)絡(luò)必須由操作系統(tǒng)來(lái)管理，由于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)操作不是針對(duì)于進(jìn)程的：接收數(shù)據(jù)包是異
      步事件。數(shù)據(jù)包必須在進(jìn)程處理它們以前就被收集，確認(rèn)和分發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)程序和網(wǎng)絡(luò)
      接口發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且應(yīng)該可以正確地讓程序睡眠，并喚醒等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的進(jìn)程。另外
      ，所有路由和地址解析問(wèn)題是在內(nèi)核里實(shí)現(xiàn)的。
       
      在本書結(jié)尾部分的第16章“內(nèi)核源碼的物理布局”里，您可以看到Linux內(nèi)核的路標(biāo)，但
      現(xiàn)在這里的話應(yīng)該足夠了。
       
      Linux的一個(gè)很好的特征就是，它可以在運(yùn)行的時(shí)候擴(kuò)展內(nèi)核代碼，也就是說(shuō)在系統(tǒng)運(yùn)行
      的時(shí)候你可以增加系統(tǒng)的功能。
       
      每個(gè)可以增加到內(nèi)核中的代碼稱為一個(gè)模塊。Linux內(nèi)核支持相當(dāng)多的模塊的類型（或“
      類”），但不僅僅只局限于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。每個(gè)模塊由目標(biāo)代碼組成（沒有連接成完整
      的可執(zhí)行文件），通過(guò)insmod程序它們可以動(dòng)態(tài)連接到運(yùn)行著的內(nèi)核中，而通過(guò)rmmod程
      序就可以去除這些模塊。
       
      在圖1-1中，你可以標(biāo)別出處理不同任務(wù)的不同模塊類別——根據(jù)模塊提供的功能，每個(gè)
      模塊屬于一個(gè)特定的類。
       
      設(shè)備類和模塊

      設(shè)備類和模塊
      在3類設(shè)備中，Unix看待設(shè)備的方式有所區(qū)別，每種方式是為了不同的任務(wù)。Linux可以
      以模塊的形式加載每種設(shè)備類型，因此允許用戶在最新版本的內(nèi)核上實(shí)驗(yàn)新硬件，跟隨
      內(nèi)核的開發(fā)過(guò)程。
       
      一考慮到模塊，每個(gè)模塊通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，因此是可以分類的。例如，字符設(shè)
      備模塊，或塊設(shè)備模塊。將模塊分成不同的類型或類并不是固定不變的；程序員可以選
      擇在單獨(dú)一整塊代碼中創(chuàng)建一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)程序。不過(guò)好的程序員會(huì)為他們實(shí)
      現(xiàn)的每一個(gè)新功能創(chuàng)建不同模塊。
       
      現(xiàn)在回到驅(qū)動(dòng)程序，有如下三種類型：
       
      字符設(shè)備
       
      可以象文件一樣訪問(wèn)字符設(shè)備，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)這些行為。這樣的驅(qū)動(dòng)程序
      通常會(huì)實(shí)現(xiàn)open，close，read和write系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)控制臺(tái)和并口就是字符設(shè)備的例
      子，它們可以很好地用流概念描述。通過(guò)文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可以訪問(wèn)字符設(shè)備，例如/dev/tt
      y1和/dev/lp1。在字符設(shè)備和普通文件系統(tǒng)間的唯一區(qū)別是：普通文件允許在其上來(lái)回
      讀寫，而大多數(shù)字符設(shè)備僅僅是數(shù)據(jù)通道，只能順序讀寫。當(dāng)然，也存在這樣的字符設(shè)
      備，看起來(lái)象個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，可以來(lái)回讀取其中的數(shù)據(jù)。
       
      塊設(shè)備
       

       
      塊設(shè)備是文件系統(tǒng)的宿主，如磁盤。在大多數(shù)Unix系統(tǒng)中，只能將塊設(shè)備看作多個(gè)塊進(jìn)
      行訪問(wèn)為，一個(gè)塊設(shè)備通常是1K字節(jié)數(shù)據(jù)。Linux允許你象字符設(shè)備那樣讀取塊設(shè)備——
      允許一次傳輸任意數(shù)目的字節(jié)。結(jié)果是，塊設(shè)備和字符設(shè)備只在內(nèi)核內(nèi)部的管理上有所
      區(qū)別，因此也就是在內(nèi)核/驅(qū)動(dòng)程序間的軟件接口上有所區(qū)別。就象字符設(shè)備一樣，每個(gè)
      塊設(shè)備也通過(guò)文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來(lái)讀寫數(shù)據(jù)，它們之間的不同對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的。塊設(shè)備
      驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核的接口和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口是一樣的，它也通過(guò)一個(gè)傳統(tǒng)的面向
      塊的接口與內(nèi)核通信，但這個(gè)接口對(duì)用戶來(lái)說(shuō)時(shí)不可見的。
       
      網(wǎng)絡(luò)接口
       
      任何網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理都是通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)的，即，可以和其他宿主交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常，
      接口是一個(gè)硬件設(shè)備，但也可以象loopback（回路）接口一樣是軟件工具。網(wǎng)絡(luò)接口是
      由內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，而且無(wú)需了解每次事務(wù)是如何映
      射到實(shí)際被發(fā)送的數(shù)據(jù)包。盡管“telnet”和“ftp”連接都是面向流的，它們使用同樣
      的設(shè)備進(jìn)行傳輸；但設(shè)備并沒有看到任何流，僅看到數(shù)據(jù)報(bào)。
       
      由于不是面向流的設(shè)備，所以網(wǎng)絡(luò)接口不能象/dev/tty1那樣簡(jiǎn)單地映射到文件系統(tǒng)的節(jié)
      點(diǎn)上。Unix調(diào)用這些接口的方式是給它們分配一個(gè)獨(dú)立的名字（如eth0）。這樣的名字
      在文件系統(tǒng)中并沒有對(duì)應(yīng)項(xiàng)。內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的通信與字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
      和塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核間的通信是完全不一樣的。內(nèi)核不再調(diào)用read，write，它調(diào)用
      與數(shù)據(jù)包傳送相關(guān)的函數(shù)。
       

       
      事實(shí)上，Linux中還有一類“設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊”：SCSI*設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。盡管每個(gè)連接
      到SCSI總線上的外設(shè)在/dev目錄中不是字符設(shè)備就是塊設(shè)備，但軟件的內(nèi)部組織并不完
      全同。
       
      正如網(wǎng)絡(luò)接口給網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)提供硬件相關(guān)的功能一樣，SCSI控制器提供給SCSI子系統(tǒng)如
      何訪問(wèn)實(shí)際接口電纜。SCSI是計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的通信協(xié)議，每種SCSI設(shè)備都響應(yīng)相同
      的協(xié)議，與計(jì)算機(jī)插的是哪種控制板沒有關(guān)系。因此，Linux內(nèi)核嵌入一個(gè)所謂SCSI“實(shí)
      現(xiàn)”（即，文件操作到SCSI通信協(xié)議的映射）。驅(qū)動(dòng)程序編寫人員必須在SCSI抽象層和
      物理電纜之間實(shí)現(xiàn)這種映射。這種映射依賴于SCSI控制器，卻與SCSI電纜上連接的設(shè)備
      無(wú)關(guān)。
       
      除了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，還有一些別的模塊化加載到核心中的驅(qū)動(dòng)程序，可以是軟件，也可
      以時(shí)硬件。并非實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的模塊中最重要的一類是文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)類型是與為
      了表示目錄和文件等實(shí)體的信息的組織方式相關(guān)的。因此這種實(shí)體不是“設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序