Linux驱动开发 ---- 2.1_深入理解 Linux 内核架构
目录
- [Linux驱动开发 ---- 2.1_深入理解 Linux 内核架构](#Linux驱动开发 ---- 2.1_深入理解 Linux 内核架构)
-
- [**1. Linux 内核架构概述**](#1. Linux 内核架构概述)
- [**2. Linux 内核中的设备管理**](#2. Linux 内核中的设备管理)
- [**3. `procfs` 和 `sysfs` 深入分析**](#3.
procfs和sysfs深入分析) -
- [**（1）`/proc` 文件系统**](#（1）
/proc文件系统) - [**（2）`/sys` 文件系统**](#（2）
/sys文件系统)
- [**（1）`/proc` 文件系统**](#（1）
- [**4. 总结与作业**](#4. 总结与作业)
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。
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：
- 进程管理：内核负责进程的创建、调度、终止等工作。
- 内存管理：内核负责物理内存和虚拟内存的管理。
- 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。
- 网络管理：管理网络接口，处理网络数据。
- 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：
sh
ps aux # 查看所有进程
top # 实时查看进程状态
（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：
sh
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
（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：
sh
df -T # 查看挂载文件系统的类型
mount # 查看挂载的文件系统
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：
sh
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：
sh
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：
sh
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：
sh
ls /sys/class
cat /sys/class/net/eth0/address # 查看网络接口的 MAC 地址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：
- 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。 - 用
top命令，记录下 CPU 使用率变化，并分析系统负载。 - 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。
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。