Linux 内核架构总览

内核在系统中的位置

Linux 是一个宏内核（Monolithic Kernel），所有核心服务——进程调度、内存管理、文件系统、网络协议栈、设备驱动——都运行在同一个内核地址空间（Ring 0）。与微内核不同，宏内核的优势是子系统间调用开销极低，代价是任何驱动 bug 都可能导致整个系统崩溃。

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│                   用户空间 (Ring 3)                   │
│   应用程序   Shell   库 (glibc)   守护进程            │
└──────────────────────┬──────────────────────────────┘
                       │  系统调用 (syscall)
┌──────────────────────▼──────────────────────────────┐
│                  内核空间 (Ring 0)                    │
│  ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌────────┐  │
│  │ 进程调度  │ │ 内存管理  │ │ 文件系统  │ │ 网络栈 │  │
│  └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └────────┘  │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │              设备驱动层                          │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │         硬件抽象层 / 体系结构相关代码 (arch/)    │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
                       │
┌──────────────────────▼──────────────────────────────┐
│                      硬件                            │
│   CPU   内存   磁盘   网卡   GPIO   I2C   SPI  ...   │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

内核源码目录结构

目录	说明
`arch/`	体系结构相关代码（x86、arm、arm64、riscv…）
`drivers/`	所有设备驱动，按子系统分类
`fs/`	文件系统（ext4、btrfs、proc、sysfs…）
`include/`	内核头文件
`kernel/`	核心子系统（调度器、信号、时钟…）
`mm/`	内存管理子系统
`net/`	网络协议栈
`lib/`	通用库（链表、红黑树、位图…）
`init/`	内核启动入口 `start_kernel()`
`Documentation/`	官方文档与 binding 规范

内核启动流程

上电 → Bootloader (U-Boot/GRUB)
    → 解压内核镜像 (zImage/Image)
    → start_kernel()
        ├── setup_arch()          # 体系结构初始化
        ├── mm_init()             # 内存管理初始化
        ├── sched_init()          # 调度器初始化
        ├── init_IRQ()            # 中断控制器初始化
        ├── time_init()           # 时钟初始化
        ├── rest_init()
        │   ├── kernel_thread(kernel_init)   # PID 1
        │   └── cpu_idle()                   # idle 进程
        └── kernel_init()
            ├── do_initcalls()    # 执行所有 __initcall 注册的函数
            └── 挂载根文件系统，exec /sbin/init

do_initcalls() 是驱动开发者最关心的环节——所有通过 module_init() 注册的驱动初始化函数都在这里按优先级顺序执行。

内核版本与长期支持

类型	说明	示例
主线版本 (mainline)	Linus 维护，每 9-10 周发布	6.x
稳定版 (stable)	修复 bug，无新特性	6.x.y
长期支持版 (LTS)	维护 2-6 年，嵌入式首选	6.6 LTS、5.15 LTS
发行版内核	Ubuntu/RHEL 自行维护，含大量 backport

嵌入式产品建议选用 LTS 版本，避免频繁跟进主线变动。

内核配置系统

内核通过 Kconfig 管理数千个编译选项：

bash

# 图形化配置（推荐）
make menuconfig

# 基于当前运行内核配置
make localmodconfig

# 查看某选项的依赖关系
grep -r "CONFIG_I2C" arch/arm64/configs/

关键配置项（驱动开发必知）：

CONFIG_MODULES=y          # 支持可加载模块
CONFIG_MODULE_UNLOAD=y    # 支持卸载模块
CONFIG_KALLSYMS=y         # 符号表（oops 解析必需）
CONFIG_DEBUG_KERNEL=y     # 内核调试支持
CONFIG_DYNAMIC_DEBUG=y    # 动态调试（pr_debug 按需开启）
CONFIG_KASAN=y            # 内存错误检测

内核抢占模型

Linux 提供三种抢占配置，影响驱动的实时性要求：

配置	延迟	适用场景
`PREEMPT_NONE`	最高吞吐	服务器
`PREEMPT_VOLUNTARY`	中等	桌面
`PREEMPT`	低延迟	嵌入式
`PREEMPT_RT`（PREEMPT_REALTIME）	硬实时	工业控制

PREEMPT_RT 补丁将大量自旋锁替换为可睡眠的 rt_mutex，驱动编写时需注意不能在持有 spinlock 时调用可能睡眠的函数。

下一步

内核模块机制 — 如何编写、加载、卸载驱动模块
内存管理 — kmalloc、vmalloc、DMA 内存分配
同步与并发 — 自旋锁、互斥锁、RCU

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内核在系统中的位置 ​

内核源码目录结构 ​

内核启动流程 ​

内核版本与长期支持 ​

内核配置系统 ​

内核抢占模型 ​

下一步 ​