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Linux驱动开发 ---- 2.1_深入理解 Linux 内核架构

目标：掌握 Linux 内核的基本组成，理解内核的工作原理和结构。

重点：

• 进程调度和内存管理。
• 文件系统的基本原理。
• 设备管理。
• 内核模块与驱动程序的协作。

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1. Linux 内核架构概述

Linux 内核架构主要包括以下几个核心部分：

1. 进程管理：内核负责进程的创建、调度、终止等工作。
2. 内存管理：内核负责物理内存和虚拟内存的管理。
3. 文件系统：负责文件的读写和管理，内核提供了对磁盘的操作接口。
4. 网络管理：管理网络接口，处理网络数据。
5. 设备管理：控制硬件设备，驱动程序与硬件设备交互。

（1）进程管理

进程管理是内核的一个重要组成部分，它确保操作系统能够有效地分配 CPU 时间来运行各个进程。

• 进程调度：

  • Linux 使用 时间片轮转算法，每个进程按顺序分配一定时间来运行。
  • 进程调度类：在 Linux 内核中，进程调度的核心是调度类（如 CFS、RT）。

• 内核调度的常用函数：

  • schedule()：调度器的核心函数，选择一个进程运行。
  • fork()：创建新进程。
  • exec()：执行新程序。

实践任务：

ps aux  # 查看所有进程
top     # 实时查看进程状态

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（2）内存管理

Linux 内核负责管理系统的内存资源，包括 虚拟内存 和 物理内存。

• 虚拟内存：通过分页技术，虚拟内存使得每个进程看起来有一个独立的内存空间。
• 物理内存：实际的 RAM 被分配给进程。
• 内存分配器：
  • kmalloc()：内核分配内存。
  • free()：释放内存。
  • mmap()：映射文件或设备到内存空间。

案例：使用 free 命令查看系统内存使用情况：

free -h    # 查看内存使用情况（单位：GB、MB）
cat /proc/meminfo  # 查看内存详细信息

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（3）文件系统

文件系统是内核中的一个重要组件，负责管理存储设备上的文件和目录。

• 超级块（Superblock）：包含文件系统的元数据。
• 文件描述符：内核使用文件描述符来标识和管理文件。
• 常见文件系统：ext4、Btrfs、F2FS 等。

实践任务：

• 查看文件系统的详细信息：

df -T   # 查看挂载文件系统的类型

mount   # 查看挂载的文件系统

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2. Linux 内核中的设备管理

设备管理是内核的一个核心功能，Linux 内核通过设备驱动来控制硬件设备。

（1）设备分类

• 字符设备：像键盘、鼠标、串口等设备，数据按字符流方式读写。
• 块设备：硬盘、SSD、U 盘等设备，数据按块读写。
• 网络设备：网络接口卡（NIC）等设备，负责数据包的收发。

（2）设备文件

设备文件位于 /dev 目录下，它们是用户空间与内核之间的桥梁，用户通过设备文件与硬件设备交互。

案例：

ls /dev  # 查看设备文件

（3）驱动模型与内核模块

Linux 使用 设备驱动模型 来与硬件设备进行交互，常见的有：

• 平台设备：没有总线的设备，如 GPIO、I2C。
• PCI 设备：基于 PCI 总线的设备，如显卡、网卡。

实践任务：

lsmod  # 查看已加载的内核模块
insmod my_driver.ko  # 加载自定义驱动模块
rmmod my_driver      # 卸载驱动模块

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3. procfs 和 sysfs 深入分析

（1）/proc 文件系统

• /proc 是一个虚拟文件系统，包含了内核和进程的动态信息。
  • /proc/cpuinfo：查看 CPU 信息。
  • /proc/interrupts：查看硬件中断信息。
  • /proc/meminfo：查看内存使用信息。

案例：通过 /proc 获取系统信息：

cat /proc/cpuinfo
cat /proc/interrupts

（2）/sys 文件系统

• /sys 是另一个虚拟文件系统，主要用于访问设备信息和控制设备的行为。
  • /sys/class/：显示设备分类信息。
  • /sys/devices/：显示设备的物理层次信息。

实践任务：

ls /sys/class
cat /sys/class/net/eth0/address  # 查看网络接口的 MAC 地址

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4. 总结与作业

✅ 今日学习回顾：

• 深入了解了 Linux 内核架构，包括进程管理、内存管理、文件系统和设备管理。
• 通过 procfs 和 sysfs 获取系统硬件和内核状态。
• 学习了内核中设备文件的概念和如何使用模块与设备交互。

📌 作业：

1. 用 ps aux 查看当前系统的进程，分析系统中占用 CPU 和内存最多的进程。
2. 用 top 命令，记录下 CPU 使用率变化，并分析系统负载。
3. 创建一个小脚本，定时显示 /proc/cpuinfo 和 /proc/meminfo 的内容，并记录到日志文件中。

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学习内容，包括了内核架构、进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等内容。