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《Linux设备驱动开发详解 A》一一3.2 Linux 2.6后的内核特点

简介:

本节书摘来华章计算机出版社《Linux设备驱动开发详解 A》一书中的第3章,第3.2节,作者:宋宝华 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。1

3.2 Linux 2.6后的内核特点

Linux 2.6内核是Linux开发者群落一个寄予厚望的版本,从2003年12月直至2011年7月,内核重新进行了版本的编号,从而过渡到Linux 3.x版本直到成书时的Linux 4.0-rc1。
Linux 2.6相对于Linux 2.4有相当大的改进,主要体现在如下几个方面。
1.?新的调度器
Linux 2.6以后版本的Linux内核使用了新的进程调度算法,它在高负载的情况下有极其出色的性能,并且当有很多处理器时也可以很好地扩展。在Linux内核2.6的早期采用了O(1)算法,之后转移到CFS(Completely Fair Scheduler,完全公平调度)算法。在Linux 3.14中,也增加了一个新的调度类:SCHED_DEADLINE,它实现了EDF(Earliest Deadline First,最早截止期限优先)调度算法。
2.?内核抢占
在Linux 2.6以后版本的Linux内核中,一个内核任务可以被抢占,从而提高系统的实时性。这样做最主要的优势在于,可以极大地增强系统的用户交互性,用户将会觉得鼠标单击和击键的事件得到了更快速的响应。Linux 2.6以后的内核版本还是存在一些不可抢占的区间,如中断上下文、软中断上下文和自旋锁锁住的区间,如果给Linux内核打上RT-Preempt补丁,则中断和软中断都被线程化了,自旋锁也被互斥体替换,Linux内核变得能支持硬实时。
如图3.2所示,左侧是Linux 2.4,右侧是Linux 2.6以后的内核。在Linux 2.4的内核中,在IRQ1的中断服务程序唤醒RT(实时)任务后,必须要等待前面一个Normal(普通)任务的系统调用完成,返回用户空间的时候,RT任务才能切入;而在Linux 2.6内核中,Normal任务的关键部分(如自旋锁)结束的时候,RT任务就从内核切入了。不过也可以看出,Linux 2.6以后的内核仍然存在中断、软中断、自旋锁等原子上下文进程无法抢占执行的情况,这是Linux内核本身只提供软实时能力的原因。
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3.?改进的线程模型
Linux 2.6以后版本中的线程采用NPTL(Native POSIX Thread Library,本地POSIX线程库)模型,操作速度得以极大提高,相比于Linux 2.4内核时代的LinuxThreads模型,它也更加遵循POSIX规范的要求。NPTL没有使用LinuxThreads模型中采用的管理线程,内核本身也增加了FUTEX(Fast Userspace Mutex,快速用户态互斥体),从而减小多线程的通信开销。
4.?虚拟内存的变化
从虚拟内存的角度来看,新内核融合了r-map(反向映射)技术,显著改善虚拟内存在一定大小负载下的性能。在Linux 2.4中,要回收页时,内核的做法是遍历每个进程的所有PTE以判断该PTE是否与该页建立了映射,如果建立了,则取消该映射,最后无PTE与该页相关联后才回收该页。在Linux 2.6后,则建立反向映射,可以通过页结构体快速寻找到页面的映射。
5.?文件系统
Linux 2.6版内核增加了对日志文件系统功能的支持,解决了Linux 2.4版本在这方面的不足。Linux 2.6版内核在文件系统上的关键变化还包括对扩展属性及POSIX标准访问控制的支持。ext2/ext3/ext4作为大多数Linux系统默认安装的文件系统,在Linux 2.6版内核中增加了对扩展属性的支持,可以给指定的文件在文件系统中嵌入元数据。
在文件系统方面,当前的研究热点是基于B树的Btrfs,Btrfs称为是下一代Linux文件系统,它在扩展性、数据一致性、多设备管理和针对SSD的优化等方面都优于ext4。
6.?音频
高级Linux音频体系结构(Advanced Linux Sound Architecture,ALSA)取代了缺陷很多旧的OSS(Open Sound System)。ALSA支持USB音频和MIDI设备,并支持全双工重放等功能。
7.?总线、设备和驱动模型
在Linux 2.6以后的内核中,总线、设备、驱动三者之间因为一定的联系性而实现对设备的控制。总线是三者联系起来的基础,通过一种总线类型,将设备和驱动联系起来。总线类型中的match()函数用来匹配设备和驱动,当匹配操作完成之后就会执行驱动程序中的probe()函数。
8.?电源管理
支持高级配置和电源接口(Advanced Configuration and Power Interface,ACPI),用于调整CPU在不同的负载下工作于不同的时钟频率以降低功耗。目前,Linux内核的电源管理(PM)相对比较完善了,包括CPUFreq、CPUIdle、CPU热插拔、设备运行时(runtime)PM、Linux系统挂起到内存和挂起到硬盘等全套的支持,在ARM上的支持也较完备。
9.?联网和IPSec
Linux 2.6内核中加入了对IPSec的支持,删除了原来内核内置的HTTP服务器khttpd,加入了对新的NFSv4(网络文件系统)客户机/服务器的支持,并改进了对IPv6的支持。
10.?用户界面层
Linux 2.6内核重写了帧缓冲/控制台层,人机界面层还加入了对近乎所有接口设备的支持(从触摸屏到盲人用的设备和各种各样的鼠标)。
在设备驱动程序方面,Linux 2.6相对于Linux 2.4也有较大的改动,这主要表现在内核API中增加了不少新功能(例如内存池)、sysfs文件系统、内核模块从.o变为.ko、驱动模块编译方式、模块使用计数、模块加载和卸载函数的定义等方面。

  1. Linux 3.0后 ARM架构的变更
    Linus Torvalds在2011年3月17日的ARM Linux邮件列表中宣称“this whole ARM thing is a f*cking pain in the ass”,这引发了ARM Linux社区的地震,随后ARM社区进行了一系列重大修正。社区必须改变这种局面,于是PowerPC等其他体系结构下已经使用的FDT (Flattened Device Tree)进入到了ARM社区的视野。

此外,ARM Linux的代码在时钟、DMA、pinmux、计时器刻度等诸多方面都进行了优化和调整,也删除了arch/arm/mach-xxx/include/mach头文件目录,以至于Linux 3.7以后的内核可以支持多平台,即用同一份内核镜像运行于多家SoC公司的多个芯片,实现“一个Linux可适用于所有的ARM系统”。

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