(LDD) Ch01-Linux內核簡介(轉載)
      第1章 Linux內核簡介
       
       
      世界各地都有人在鉆研Linux內核，大多是在寫設備驅動程序。盡管每個驅動程序都不一
      樣，而且你還要知道自己設備的特殊性，但是這些設備驅動程序的許多原則和基本技術
      技巧都是一樣的。通過本書，可以學會寫自己的設備驅動程序，并且可以鉆研內核的相
      關部分。本書涉及到的是設備無關編程技巧，不會將例子跟特殊設備綁定在一起。
       
      本章沒有實際編寫代碼。但我要介紹一些關于Linux內核的背景概念，這樣到我們稍后開
      始介紹實際編程時，就很順利了。
       
      當你學習編寫驅動程序的時候，你也會發現很多關于Linux內核的知識，這對理解你機器
      怎么工作很有幫助，并且還可以知道為什么你的機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。我們會逐漸介紹一些新概念，先從簡單的驅動程序開始，每
      介紹一些新概念都會看到相關例子代碼，這些代碼都不需要特殊硬件。

      介紹一些新概念都會看到相關例子代碼，這些代碼都不需要特殊硬件。
       
      驅動程序作者的作用
      作為一個程序員，你可以選擇自己的驅動程序，在編程所需時間和結果的靈活性之間做
      個可以接受的權衡。盡管說驅動程序的靈活性看起來有那么點怪，我喜歡這個詞是因為
      它強調了設備驅動程序提供的是機制，而不是策略。
       
      機制和策略之間的差別是Unix設計背后最好的點子之一。實際編程中遇到的大多數問題
      都可以被劃分成兩個部分：“需要作什么”（機制）和“這個程序怎么用”（策略）。
      如果這兩個主題是由程序不同部分來承擔的，或者是由不同的程序組合一起承擔的，那
      么這個軟件包就很容易開發，也很適合特殊需求。
       
      舉個例子，Unix的圖形顯示管理在X服務器和窗口管理器之間劃了一道線，X服務器了解
      硬件并給用戶程序提供唯一的接口，而窗口管理器實現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工作
      站上可以使用不同的設置。另一個例子是TCP/IP的網絡分層結構：操作系統提供抽象的
      套接字操作，是設備無關的，不同服務器主管這個服務。另外，ftpd服務器提供文件傳
      輸機制，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，并且誰都可以為傳輸文件寫一個新的用戶界面。
       
      只要涉及到驅動程序，就會運用這樣的功能劃分。軟盤驅動程序是設備無關的——這不
      僅表現在磁盤是一個連續讀寫的字節數組上。如何使用設備是應用程序要做的事：tar要
      連續地寫數據，而mkfs則為要安裝的設備做準備工作，mcopy依賴于設備上存在的特殊數

      連續地寫數據，而mkfs則為要安裝的設備做準備工作，mcopy依賴于設備上存在的特殊數
      據結構。
       
      在寫驅動程序時，程序員應該特別留心這樣的基本問題：我們要寫內核代碼訪問硬件，
      但由于不同用戶有不同需要，我們不能強迫用戶采用什么樣的特定策略。設備驅動程序
      應該僅僅處理硬件，將如何使用硬件的問題留給應用程序。如果在提供獲得硬件能力的
      同時沒有增加限制，我們就說驅動程序是靈活的。不過，有時必須要作一些策略決策。
       
      可以從不同側面來看你的驅動程序：它是位于應用層和實際設備之間的軟件。驅動程序
      的程序員可以選擇這個設備應該怎樣實現：不同的驅動程序可以提供不同的能力，甚至
      相同的設備也可以提供不同能力。實際驅動程序設計應該是在眾多需求之間的一個平衡
      。例如，不同程序可以同時使用同一個設備，而驅動程序的開發者可以完全自由地決定
      如何處理同步機制。你可以實現到設備上的內存映射，而完成獨立于硬件的具體能力，
      或者你可以提供給用戶函數庫，幫助應用程序的程序員在可用原語的基礎上實現新策略
      ，或者諸如此類的方法。一個很重要需要考慮的問題就是，如何在提供給用戶盡可能多
      的選項，平衡你需要編寫所花費的時間，以及為使錯誤盡可能少而保持代碼簡單之間的
      平衡。
       
      如果即為同步又為異步操作設計驅動程序，如果允許同時打開多次，并且如果能夠發掘
      所有硬件功能，而不用增加軟件層“去簡化事情”——例如將二進制數據轉換成文本或
      者策略相關的操作——那就很容易編寫而且很好維護了。達成“策略無關”實際上是軟
      件設計的共同目標。
       

       
      實際上，大多數設備驅動程序是和用戶程序一起發布的，這些程序可以幫助完成對目標
      設備的配置和訪問。這些程序可以是從簡單的配置程序到完整的圖形應用。通常還要提
      供一個客戶端庫文件。
       
      本書討論范圍是內核，所以我們不考慮策略問題，也不考慮應用程序或支持庫。有時，
      我們會討論不同策略，以及如何支持這些策略，但我們不會深入到使用一定策略或設備
      編程需要的細節問題。不過你應該可以理解，用戶程序是一個軟件包的內核，就算策略
      無關的軟件包也會和配置文件一起發布，這些文件提供了基本機制上的缺省行為。
       
      劃分內核
      在Unix系統中，若干并發進程會參加不同的任務。每個進程都要求獲得系統資源，可以
      是計算、內存、網絡連接或別的資源。內核是一整塊可執行代碼，用它來負責處理所有
      這樣的請求。盡管在不同的內核任務之間的區別不是總能清楚地標識出來，內核的作用
      還是可以被劃分的。如圖1-1所示，劃分為如下這些部分：
       
      進程管理
       
      內核負責創建和終止進程，并且處理它們和外部世界的聯系（輸入和輸出）。對整個系
      統功能來講，不同進程之間的通信（通過信號，管道，進程間通信原語）是基本的，這
      也是由內核來處理的。另外，調度器，可能是整個操作系統中最關鍵的例程，是進程管
      理中的一部分。更廣廣義的說，內核的進程管理活動實現了在一個CPU上多個進程的抽象
      概念。

      概念。
       
      內存管理
       
      計算機內存是主要資源，而使用內存的策略是影響整個系統性能的關鍵。內核為每個進
      程在有限可利用的資源上建立了虛擬地址空間。內核不同部分通過一組函數與內存管理
      子系統交互，這些包括從簡單的malloc/free到更稀奇古怪的功能。
       
      （圖1-1）
       
      文件系統
       
      Unix系統是建立在文件系統這個概念上的；Unix里幾乎所有東西都可以看作文件。內核
      在非結構的硬件上建立了結構化的文件系統，這個抽象的文件被系統廣泛應用。另外，L
      inux支持多文件系統類型，即，物理介質上對數據的不同組織方法。
       
      設備控制
       
      幾乎每種系統操作最后都要映射到物理設備上。除了處理器，內存和少數其他實體外，
      幾乎所有設備的控制操作都由設備相關的代碼來實現。這些代碼就是設備驅動程序。內
      核必須為每個外部設備嵌入設備驅動程序，從硬盤驅動器到鍵盤和磁帶。內核的這方面
      功能就是本書的著眼點。
       

       
      網絡
       
      網絡必須由操作系統來管理，由于大多數網絡操作不是針對于進程的：接收數據包是異
      步事件。數據包必須在進程處理它們以前就被收集，確認和分發。系統通過程序和網絡
      接口發送數據包，并且應該可以正確地讓程序睡眠，并喚醒等待網絡數據的進程。另外
      ，所有路由和地址解析問題是在內核里實現的。
       
      在本書結尾部分的第16章“內核源碼的物理布局”里，您可以看到Linux內核的路標，但
      現在這里的話應該足夠了。
       
      Linux的一個很好的特征就是，它可以在運行的時候擴展內核代碼，也就是說在系統運行
      的時候你可以增加系統的功能。
       
      每個可以增加到內核中的代碼稱為一個模塊。Linux內核支持相當多的模塊的類型（或“
      類”），但不僅僅只局限于設備驅動程序。每個模塊由目標代碼組成（沒有連接成完整
      的可執行文件），通過insmod程序它們可以動態連接到運行著的內核中，而通過rmmod程
      序就可以去除這些模塊。
       
      在圖1-1中，你可以標別出處理不同任務的不同模塊類別——根據模塊提供的功能，每個
      模塊屬于一個特定的類。
       
      設備類和模塊

      設備類和模塊
      在3類設備中，Unix看待設備的方式有所區別，每種方式是為了不同的任務。Linux可以
      以模塊的形式加載每種設備類型，因此允許用戶在最新版本的內核上實驗新硬件，跟隨
      內核的開發過程。
       
      一考慮到模塊，每個模塊通常只實現一個驅動程序，因此是可以分類的。例如，字符設
      備模塊，或塊設備模塊。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
      擇在單獨一整塊代碼中創建一個模塊實現不同的驅動程序。不過好的程序員會為他們實
      現的每一個新功能創建不同模塊。
       
      現在回到驅動程序，有如下三種類型：
       
      字符設備
       
      可以象文件一樣訪問字符設備，字符設備驅動程序負責實現這些行為。這樣的驅動程序
      通常會實現open，close，read和write系統調用。系統控制臺和并口就是字符設備的例
      子，它們可以很好地用流概念描述。通過文件系統節點可以訪問字符設備，例如/dev/tt
      y1和/dev/lp1。在字符設備和普通文件系統間的唯一區別是：普通文件允許在其上來回
      讀寫，而大多數字符設備僅僅是數據通道，只能順序讀寫。當然，也存在這樣的字符設
      備，看起來象個數據區，可以來回讀取其中的數據。
       
      塊設備
       

       
      塊設備是文件系統的宿主，如磁盤。在大多數Unix系統中，只能將塊設備看作多個塊進
      行訪問為，一個塊設備通常是1K字節數據。Linux允許你象字符設備那樣讀取塊設備——
      允許一次傳輸任意數目的字節。結果是，塊設備和字符設備只在內核內部的管理上有所
      區別，因此也就是在內核/驅動程序間的軟件接口上有所區別。就象字符設備一樣，每個
      塊設備也通過文件系統節點來讀寫數據，它們之間的不同對用戶來說是透明的。塊設備
      驅動程序和內核的接口和字符設備驅動程序的接口是一樣的，它也通過一個傳統的面向
      塊的接口與內核通信，但這個接口對用戶來說時不可見的。
       
      網絡接口
       
      任何網絡事務處理都是通過接口實現的，即，可以和其他宿主交換數據的設備。通常，
      接口是一個硬件設備，但也可以象loopback（回路）接口一樣是軟件工具。網絡接口是
      由內核網絡子系統驅動的，它負責發送和接收數據包，而且無需了解每次事務是如何映
      射到實際被發送的數據包。盡管“telnet”和“ftp”連接都是面向流的，它們使用同樣
      的設備進行傳輸；但設備并沒有看到任何流，僅看到數據報。
       
      由于不是面向流的設備，所以網絡接口不能象/dev/tty1那樣簡單地映射到文件系統的節
      點上。Unix調用這些接口的方式是給它們分配一個獨立的名字（如eth0）。這樣的名字
      在文件系統中并沒有對應項。內核和網絡設備驅動程序之間的通信與字符設備驅動程序
      和塊設備驅動程序與內核間的通信是完全不一樣的。內核不再調用read，write，它調用
      與數據包傳送相關的函數。
       

       
      事實上，Linux中還有一類“設備驅動程序模塊”：SCSI*設備驅動程序。盡管每個連接
      到SCSI總線上的外設在/dev目錄中不是字符設備就是塊設備，但軟件的內部組織并不完
      全同。
       
      正如網絡接口給網絡子系統提供硬件相關的功能一樣，SCSI控制器提供給SCSI子系統如
      何訪問實際接口電纜。SCSI是計算機和外設之間的通信協議，每種SCSI設備都響應相同
      的協議，與計算機插的是哪種控制板沒有關系。因此，Linux內核嵌入一個所謂SCSI“實
      現”（即，文件操作到SCSI通信協議的映射）。驅動程序編寫人員必須在SCSI抽象層和
      物理電纜之間實現這種映射。這種映射依賴于SCSI控制器，卻與SCSI電纜上連接的設備
      無關。
       
      除了設備驅動程序，還有一些別的模塊化加載到核心中的驅動程序，可以是軟件，也可
      以時硬件。并非實現驅動程序的模塊中最重要的一類是文件系統。文件系統類型是與為
      了表示目錄和文件等實體的信息的組織方式相關的。因此這種實體不是“設備驅動程序