Linux内核子系统

编写设备驱动程序，涉及Linux内核的许多子系统，了解这些子系统对于了解Linux操作系统和编写设备驱动程序都非常有用。这些主要的子系统包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和网络管理。现对这些主要的子系统分别介绍如下。

进程管理

进程是操作系统中一个很重要的概念。进程是操作系统分配资源的基本单位，也是CPU调度的基本单位。可以给进程这样一个定义：进程是程序运行的一个实例，是操作系统分配资源和调度的一个基本单位。Linux将进程分为就绪状态、执行状态和阻塞状态三个状态。Linux内核负责对这三种状态进行管理。下面对这三种状态的基本概念介绍如下。

就绪状态：在这种状态中，进程具有处理器外的其他资源，进程不运行。当处理器空闲时，进程就被调度来运行。

执行状态：进程处于就绪状态后，获得处理器资源，就能进入执行状态，此时程序正在运行。

阻塞状态：进程因为等待某种事件的发生而暂时不能运行。这些事件如设备中断，其他进程的信号。

当系统分配资源并创建一个进程后，进程就进入就绪状态。当调度程序分配了处理器资源后，进程便进入执行状态。相应地，当处理器资源用完后，进程又进入就绪状态。在执行状态中，因发生某些事件而使进程不能运行时，则进程进入阻塞状态。在阻塞状态下，当外部事件得到满足后，进程就进入就绪状态。

内存管理

内存是计算机的主要资源之一，可以将内存理解为一个线性的存储结构。

用来管理内存的策略是决定系统性能的主要因素。内核在有限的资源上为每一个进程创建一个虚拟地址空间，并对虚拟地址空间进行管理。为了方便内存的管理，内核提供了一些重要的函数。这些函数包括kmalloc()、kfree()等。另外设备驱动程序需要使用内存分配，不同的分配方式对驱动程序的影响不同，所以需要对内存分配有比较清晰的了解。

文件系统

在Linux操作系统中，文件系统是用来组织、管理、存放文件的一套管理机制。Linux文件系统的一大优点是，它几乎可以支持所有的文件格式。任何一种新的文件格式，都可以容易地写出相应的支持代码，并无缝地添加到内核中。虽然不同文件格式的文件以不同的存储方式存放在磁盘设备中，但是在用户看来，文件总以树形结构显示给用户。

另一个方面，在Linux中，几乎每一个对象都可以当作文件来看待，最常见的就是设备文件。设备文件将设备当作文件来看待，这样就可以像操作文件一样操作设备。

设备管理

无论是桌面系统还是嵌入式系统，都存在各种类型的设备。操作系统的一个重要功能就是对这些设备进行统一的管理。由于设备的种类繁多，不同设备的操作方法都不一样，使管理设备成为操作系统中非常复杂的部分。Linux系统通过某种方式较好地解决了这个问题，使设备的管理得到了统一。

设备管理的一个主要任务是完成数据从设备到内存的传输。一个完整的数据传输过程是：数据首先从设备传入内存，然后CPU对其进行处理，处理完后将数据传入内存或设备中。

网络功能

网络功能也由操作系统来完成。大部分的网络操作与用户进程都是分离的，数据包的接收和发送操作都是由相应的驱动程序来完成的，而与用户进程无关。进程处理数据之前，驱动程序必须先收集、标识和发送或重组数据。当数据准备好后，系统负责用户进程和网络接口之间的数据传送。另外内核也负责实现网络通信协议。

内核配置选项

自己构建嵌入式Linux操作系统，首先需要对内核源代码进行相应的配置。这些配置决定了嵌入式Linux操作系统所支持的功能，为了理解编译程序是怎样通过配置文件配置系统的，下面对配置编译过程进行详细的讲解。

配置编译过程

面对日益庞大的Linux内核源代码，要手动地编译内核是十分困难的。幸好Linux提供了一套优秀的机制，简化了内核源代码的编译。这套机制由以下几方面组成。

Makefile文件：它的作用是根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成Linux内核二进制文件。由于Linux内核源代码是按照树形结构组织的，所以Makefile也被分布在目录树中。

Kconfig文件：它的作用是为用户提供一个层次化的配置选项集。make menuconfig命令通过分布在各个子目录中的Kconfig文件构建配置用户界面。

配置文件（.config）：当用户配置完后，将配置信息保存在.config文件中。

配置工具：包括配置命令解释器（对配置脚本中使用的配置命令进行解释）和配置用户界面（提供基于字符界面、基于Ncurses图形界面以及基于Xwindows图形界面的用户配置界面，各自对应于Make config、Make menuconfig和make xconfig）。

从图中可知，主目录中包含很多子目录，同时包含Kbulid和Makefile文件。各子目录中也包含其他子目录和Kbulid和Makefile文件，只是图中不好画出。当执行menuconfig命令时，配置程序会依次从目录由浅入深查找每一个Kbulid文件，依照这个文件中的数据生成一个配置菜单。从这个意义上来说，Kbulid像是一个分布在各个目录中的配置数据库，通过这个数据库可以生成配置菜单。在配置菜单中根据需要配置完成后会在主目录下生成一个.config文件，此文件中保存了配置信息。

然后执行make命令时，会依赖生成的.config文件，以确定哪些功能将编译入内核中，哪些功能不编译入内核中。然后递归地进入每一个目录，寻找Makefile文件，编译相应的代码。

常规配置

常规配置包含关于内核的大量配置，这些配置包含代码成熟度、版本信息、模块配置等。下面分别介绍如下。

1．常规配置选项

常规配置包含了一些通用配置，主要与进程相关，例如进程的通信、进程的统计等。