這篇文章為大家帶來了關於Linux五大模組核心原始碼的相關知識，其中包含了核心整體架構設計的相關問題，希望對大家有幫助。
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本文是“ Linux核心原始碼分析」系列的專業，將以核心的核心功能為出發點，描述Linux核心的整體架構，以及架構之下主要的軟體子系統。之後，會介紹Linux核心原始檔的目錄結構，並與各個軟體子系統對應。
附註：本文及其它的「Linux核心分析」文章都基於以下約定：
a) 核心版本為Linux 5.6.18，可以從下面的連結取得：
https:// mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.6.18.tar.xz
b) 鑑於嵌入式系統大多使用ARM處理器，因此涉及體系結構部分的內容，都以ARM為分析物件
如下圖所示，Linux核心只是Linux作業系統一部分。對下，它管理系統的所有硬體設備；對上，它透過系統調用，向Library Routine（例如C庫）或其它應用程式提供介面。
因此，其核心功能是：管理硬體設備，供應用程式使用。而現代電腦（無論是PC或嵌入式系統）的標準組成，就是CPU、Memory（記憶體和周邊）、輸入輸出設備、網路設備和其它的外圍設備。所以為了管理這些設備，Linux核心提出如下的架構。
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3.1 整體架構與子系統分割
上圖說明了Linux核心的整體架構。根據核心的核心功能，Linux核心提出了5個子系統，分別負責如下的功能：
1. Process Scheduler，也稱為進程管理、進程調度。負責管理CPU資源，以便讓各個行程可以以盡量公平的方式存取CPU。 
3.3 記憶體管理（Memory Manager, MM)
記憶體管理同樣是Linux核心中最重要的子系統，它主要提供對記憶體資源的存取控制。 Linux系統會在硬體實體記憶體和進程所使用的記憶體（稱為虛擬記憶體）之間建立一種映射關係，這種映射是以進程為單位，因而不同的進程可以使用相同的虛擬內存，而這些相同的虛擬內存，可以映射到不同的物理內存。
記憶體管理子系統包含3個子模組（見下圖），它們的功能如下：
1. Architecture Specific Managers，體系結構相關部分。提供用於存取硬體Memory的虛擬介面。
2. Architecture Independent Manager，體系結構無關部分。提供所有的記憶體管理機制，包括：以進程為單位的memory mapping；虛擬記憶體的Swapping。
3. System Call Interface，系統呼叫介面。透過此接口，向使用者空間程式應用程式提供記憶體的分配、釋放，檔案的map等功能。
3.4 虛擬檔案系統（Virtual Filesystem, VFS）
傳統意義上的檔案系統，是一種儲存和組織電腦資料的方法。它用易懂、人性化的方法（檔案和目錄結構），抽象電腦磁碟、硬碟等裝置上冰冷的資料塊，從而使對它們的查找和存取變得容易。因而檔案系統的實質，就是“儲存和組織資料的方法”，檔案系統的表現形式，就是“從某個裝置中讀取資料和向某個裝置寫入資料」。
隨著電腦技術的進步，儲存和組織資料的方法也是在不斷進步的，從而導致有多種類型的檔案系統，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而為了相容，作業系統或內核，要以相同的表現形式，同時支援多種類型的檔案系統，這就延伸出了虛擬檔案系統（VFS）的概念。
VFS的功能是管理各種各樣的檔案系統，屏蔽它們的差異，以統一的方式，為使用者程式提供存取檔案的介面。
我們可以從磁碟、硬碟、NAND Flash等裝置中讀取或寫入數據，因而最初的檔案系統都是建構在這些裝置之上的。這個概念也可以推廣到其它的硬體設備，例如內存、顯示器（LCD）、鍵盤、串列埠等等。
我們對硬體設備的存取控制，也可以歸納為讀取或寫入數據，因而可以用統一的檔案操作介面存取。 Linux核心就是這樣做的，除了傳統的磁碟檔案系統之外，它還抽象化了裝置檔案系統、記憶體檔案系統等等。這些邏輯，都是由VFS子系統實作。
VFS子系統包含6個子模組（見下圖），它們的功能如下：
1. Device Drivers，裝置驅動，用於控制所有的外部設備及控制器。由於存在大量無法相互相容的硬體設備（特別是嵌入式產品），所以也有非常多的設備驅動。因此，Linux核心中將近一半的Source Code都是設備驅動，大多數的Linux底層工程師（特別是國內的企業）都是在編寫或維護設備驅動，而無暇估計其它內容（它們恰恰是Linux核心的精髓所在）。
2. Device Independent Interface， 此模組定義了描述硬體設備的統一方式（統一設備模型），所有的設備驅動都遵守這個定義，可以降低開發的難度。同時可以用一致的形勢向上提供介面。
3. Logical Systems，每個檔案系統，都會對應一個Logical System（邏輯檔案系統），它會實作具體的檔案系統邏輯。
4. System Independent Interface，該模組負責以統一的介面（快設備和字元設備）表示硬體設備和邏輯檔案系統，這樣上層軟體就不再關心具體的硬體形態了。
5. System Call Interface，系統呼叫接口，向用戶空間提供存取檔案系統和硬體設備的統一的介面。
3.5 網路子系統（Net）
網路子系統在Linux核心中主要負責管理各種網路設備，並實現各種網路協定棧，最終實現透過網路連接其它系統的功能。在Linux核心中，網路子系統幾乎是自成體系，它包括5個子模組（見下圖），它們的功能如下：
1. Network Device Drivers ，網路設備的驅動，和VFS子系統中的設備驅動是一樣的。
2. Device Independent Interface，和VFS子系統中的是一樣的。
3. Network Protocols，實現各種網路傳輸協議，例如IP, TCP, UDP等等。
4. Protocol Independent Interface，屏蔽不同的硬體設備和網路協議，以相同的格式提供介面（socket)。
5. System Call interface，系統呼叫接口，向用戶空間提供存取網路設備的統一的介面。
至於IPC子系統，由於功能較單純，這裡就不再描述。
Linux核心原始碼包含三個主要部分：
1. 核心核心程式碼，包括第3章所描述的各個子系統和子模組，以及其它的支撐子系統，例如電源管理、Linux初始化等
2. 其它非核心程式碼，例如庫檔案（因為Linux核心是一個自包含的內核，即內核不依賴其它的任何軟體，自己就可以編譯通過）、韌體集合、KVM（虛擬機器技術）等
#3. 編譯腳本、設定檔、幫助文件、版權說明等輔助性檔案
下圖r所示使用ls指令看到的核心原始碼的頂層目錄結構，具體描述如下。
include/ ---- 内核头文件，需要提供给外部模块（例如用户空间代码）使用。 kernel/ ---- Linux内核的核心代码，包含了3.2小节所描述的进程调度子系统，以及和进程调度相关的模块。 mm/ ---- 内存管理子系统（3.3小节）。 fs/ ---- VFS子系统（3.4小节）。 net/ ---- 不包括网络设备驱动的网络子系统（3.5小节）。 ipc/ ---- IPC（进程间通信）子系统。 arch// ---- 体系结构相关的代码，例如arm, x86等等。 arch//mach- ---- 具体的machine/board相关的代码。 arch//include/asm ---- 体系结构相关的头文件。 arch//boot/dts ---- 设备树（Device Tree）文件。 init/ ---- Linux系统启动初始化相关的代码。 block/ ---- 提供块设备的层次。 sound/ ---- 音频相关的驱动及子系统，可以看作“音频子系统”。 drivers/ ---- 设备驱动（在Linux kernel 3.10中，设备驱动占了49.4的代码量）。 lib/ ---- 实现需要在内核中使用的库函数，例如CRC、FIFO、list、MD5等。 crypto/ ----- 加密、解密相关的库函数。 security/ ---- 提供安全特性（SELinux）。 virt/ ---- 提供虚拟机技术（KVM等）的支持。 usr/ ---- 用于生成initramfs的代码。 firmware/ ---- 保存用于驱动第三方设备的固件。 samples/ ---- 一些示例代码。 tools/ ---- 一些常用工具，如性能剖析、自测试等。 Kconfig, Kbuild, Makefile, scripts/ ---- 用于内核编译的配置文件、脚本等。 COPYING ---- 版权声明。 MAINTAINERS ----维护者名单。 CREDITS ---- Linux主要的贡献者名单。 REPORTING-BUGS ---- Bug上报的指南。 Documentation, README ---- 帮助、说明文档。
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