由于Linux驅(qū)動編程的本質(zhì)屬于Linux內(nèi)核編程，因此我們非常有必要熟悉Linux內(nèi)核以及Linux內(nèi)核的特點。 這篇文章將會幫助讀者打下Linux驅(qū)動編程的基礎(chǔ)知識。

本篇文章分為如下三個小節(jié)進行講解：

1、Linux內(nèi)核的組成(進程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口和進程間通信)；

2、Linux的用戶空間和內(nèi)核空間；

3、Linux內(nèi)核的引導過程。

1、Linux內(nèi)核的組成

1.1、Linux內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)

讀者朋友千萬不要覺得了解目錄結(jié)構(gòu)對我們進行Linux開發(fā)沒什么幫助，實際上目錄體現(xiàn)了Linux的整體架構(gòu)和思想，對于我們理解Linux是大有裨益的。Linux內(nèi)核源代碼包含如下目錄：

arch：包含和硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每種平臺占一個相應(yīng)的目錄，如：ARM、PowerPC、MIPS等，在arch目錄下，存放了各個不同的平臺芯片對Linux內(nèi)核進程調(diào)度、內(nèi)存管理和中斷等的支持；

block：塊設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)度（塊設(shè)備不是我們學習的重點，前期學習中可忽略）；

crypto：常用加密算法、一些壓縮算法和CRC校驗算法；

documentation：內(nèi)核各部分的注釋；

drivers：設(shè)備驅(qū)動程序，每個不同的驅(qū)動占用一個子目錄，如char、net、i2c、spi等（重點來了，劃重點了：高工資，設(shè)備驅(qū)動程序就是我們學習的重點，而開發(fā)過單片機程序的讀者對驅(qū)動程序應(yīng)該有更深刻的理解）；

fs：所支持的各種文件系統(tǒng)，如EXT、FAT、NTFS等；

include：頭文件，與系統(tǒng)相關(guān)的頭文件放在include/linux的目錄下；

init：內(nèi)核初始化代碼；

ipc：進程間通信的代碼；

kernel：內(nèi)核最核心的部分，包括進程調(diào)度和定時器等；

lib：庫文件代碼；

mm：內(nèi)存管理代碼：

net：網(wǎng)絡(luò)相關(guān)代碼，實現(xiàn)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；

scripts：用于配置內(nèi)核的文件；

security：主要是一個SELinux模塊；

sound：音頻設(shè)備的驅(qū)動核心代碼；

usr：實現(xiàn)用于打包和壓縮等。

Linux的目錄結(jié)構(gòu)

1.2、進程調(diào)度

進程調(diào)度控制系統(tǒng)中的多個進程對CPU的訪問，使得多個進程能夠在CPU中“宏觀并行、微觀串行”地執(zhí)行。進程調(diào)度處于系統(tǒng)的中心位置，內(nèi)核其他的功能都依賴于它，因為每個子系統(tǒng)都需要掛起或者恢復(fù)進程。Linux進程會在幾個狀態(tài)之間進行切換，在設(shè)備驅(qū)動編程中，當請求的資源不能得到滿足時，驅(qū)動一般或調(diào)度其他進程執(zhí)行并使本進程進入睡眠狀態(tài)，直到它請求的資源被釋放，才會被系統(tǒng)喚醒從而進入就緒狀態(tài)等待調(diào)度。絕大多數(shù)的進程是由我們的應(yīng)用程序創(chuàng)建的，當它們存在硬件訪問的需求時，會通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核空間(文章的后面會講到用戶空間和內(nèi)核空間的區(qū)別)。

1.3、內(nèi)存管理

內(nèi)存管理的主要作用是控制多個進程安全的共享內(nèi)存區(qū)域。當CPU提供內(nèi)存管理單元MMU時，Linux內(nèi)存管理對于每個進程完成從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在常用的處理器都是32位的，那么每個進程也就享有4GB(2的32次方)的內(nèi)存空間，0~3GB屬于用戶空間，3~4GB屬于內(nèi)核空間。當然，這個界限是可以調(diào)整的，但是我們一般使用這個默認配置即可。

1.4、虛擬文件系統(tǒng)

Linux虛擬文件系統(tǒng)隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，為所有設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口。而且，虛擬文件系統(tǒng)獨立于各個具體的文件系統(tǒng)，是對各種文件系統(tǒng)的一個抽象。它為上層的應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一的vfs_read()、vfs_write()等接口，然后它在調(diào)用具體的底層文件系統(tǒng)或者設(shè)備驅(qū)動中實現(xiàn)的file_operations結(jié)構(gòu)體的成員函數(shù)(這個結(jié)構(gòu)體將是我們后面學習Linux設(shè)備驅(qū)動的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。

1.5、網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)接口提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標準的存取和網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。在Linux中網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序負責與硬件設(shè)備通信。Linux內(nèi)核支持的協(xié)議棧很多，例如：Internet、NFC、Bluetooth等，在上層的應(yīng)用程序中統(tǒng)一使用接口。看到這里，我想你也大概明白了吧，都是套路，我們需要學會這些調(diào)用API的套路。

1.6、進程間通信

Linux支持進程間的多種通信機制，包含信號量、共享內(nèi)存、消息隊列、管道等，這些機制可以協(xié)調(diào)多個進程、多個資源的互斥訪問，進程間的同步和消息傳遞。這一部分也是我們后續(xù)學習的重點。

2、Linux內(nèi)核的用戶空間和內(nèi)核空間

在Linux中分為用戶空間和內(nèi)核空間，我們開發(fā)時寫的程序就是運行在用戶空間，那我在這一節(jié)為什么又要說驅(qū)動的編程實質(zhì)上就是內(nèi)核的編程呢？這是因為我們完成驅(qū)動程序的開發(fā)之后，它是被編譯進內(nèi)核的，那它也就屬于內(nèi)核空間。在這種情況下，上層的程序是不能直接訪問底層功能的，這就意味著應(yīng)用程序是被禁止直接訪問硬件和內(nèi)存的，在應(yīng)用程序中操作硬件的時候，其實發(fā)生了這樣一個轉(zhuǎn)換的過程：應(yīng)用程序(用戶空間)--->系統(tǒng)調(diào)用(文件系統(tǒng))--->內(nèi)核空間(驅(qū)動程序)。這樣做有很多優(yōu)點，最重要的一點是保證了系統(tǒng)的安全運行。

內(nèi)核空間和用戶空間這兩個名詞還用來區(qū)別程序執(zhí)行的兩種不同狀態(tài)，也就是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，他們使用的是不同的地址空間。看到這里的讀者還記不記得他們分別使用的地址空間呢？上文已經(jīng)說過了哦。

用戶和內(nèi)核使用的地址空間

3、Linux內(nèi)核的引導過程

SoC上電時，CPU0會先引導bootloader，而其他的CPU則判斷自己是不是CPU0，進入等待狀態(tài)等待CPU0來喚醒它。CPU0引導bootloader，bootloader引導Linux內(nèi)核，在內(nèi)核啟動階段，CPU0會發(fā)中斷喚醒CPU1，之后CPU0和CPU1都投入運行。CPU0導致了用戶空間的init初始化程序被調(diào)用，init程序再派生出其他進程，然后這些進程再派生出其他的進程 (看到這里你有沒有想起單片機開發(fā)時的啟動文件stm32f10x_startup.s，正因為有它幫我們把代碼運行的環(huán)境都準備好了，所以我們才直接從main函數(shù)進入)

Linux系統(tǒng)的啟動流程(大概看一下)

關(guān)于內(nèi)核啟動，與我們關(guān)系比較大的部分是每個平臺的設(shè)備回調(diào)函數(shù)和屬性信息，這些回調(diào)函數(shù)會在內(nèi)核啟動過程中被調(diào)用，后續(xù)的文章會進一步介紹。

相信讀者已經(jīng)對Linux的內(nèi)核有了一個初步的了解，當然這只是初步的而已，更多更難的還在后面等著你呢！我們一步一步來，循序漸進的學習才能達到最好的效果。下一篇文章將介紹在Linux中 C語言編程的特點。