Linux内核详解及CPU运行特性

内核的基本概念

跟各种应用程序一样，内核也是一种应用程序，只不过，这种应用程序是直接操作硬件的。内核直接面对的是硬件，调用的是硬件接口，是通过个硬件厂商和CPU厂商提供的指令集进行开发。开发应用程序面对的是内核，系统调用，或库调用进行的，故简单得多。为编写内核级的应用程序，又为了避免过于底层，固有很多库文件，可以让内核编译时使用。

内核是直接面向硬件的，故可用资源权限很大，但内核是工作在有限地址空间内的，在linux而言，32位系统上，线性地址空间中，内核只认为自己有1G的，虽然可以掌握4G，但是自己的运行只能使用1G，剩下的3G给其他应用程序。win是各2G。故我们开发内核时可用的内存空间很有限，尤其是开发驱动，要明白自己的可用空间很有限，故需高效。

内核核心功能

（1）内存管理

如果没有操作系统，内存需要程序自己来管理。譬如在uboot中要使用哪块内存，由程序自己决定的，没有注册也没有限制。此时如果程序不小心把同一块内存重复使用，就会出现程序逻辑错误。

有了操作系统之后，操作系统负责管控所有的内存。应用程序需要使用内存时，都要向操作系统去申请和注册，由操作系统的内存管理模块来分配内存。这样好处是可以保证内存使用不会冲突。

（2）进程调度

操作系统下支持多个应用程序同时运行，这是宏观上的并行。实际上在单核心CPU上微观上是不能并行的，宏观上的并行就是操作系统提供的分时复用机制。操作系统的进程调度模块负责在各个进程之间进行切换。

（3）硬件设备管理

没有操作系统时，控制任何硬件都要自己写代码，有了操作系统后操作系统本身会去控制各个硬件，应用程序就不用考虑硬件的具体细节了。

操作系统的硬件设备管理模块就是驱动模块。

（4）文件系统

文件系统是管理存储设备的一种方式。存储设备由很多扇区组成，每个扇区有512/1024/2048/4096字节，存储设备以扇区为单位进行读写。如果没有文件系统，程序要自己去读写扇区，就得记得哪个文件在哪个扇区。有了文件系统之后，我们不用再关注某个文件在物理磁盘的哪个扇区，只用关注文件系统中的目录和文件名。

比较CPU的时间与内核的空间区别

因为内存中每一个进程都以为直接是独占CPU的，故内核即是将CPU虚拟化，提供给进程，CPU在内核级别就已经虚拟化了，通过将CPU切成时间片，随着时间流逝而完成在个进程之间分派计算能力的，CPU是以时间提供其计算能力的。而内存是站在空间角度进行数据容纳的。

这就是所谓的时空转换。在单位时间内要能够提供的计算能力越大，必须速度越快，否则只能延长时间。这也就是我们需要更快的CPU，以节约时间。

对于内存而言考虑的是空间问题。

CPU的运算特性

I/O是最慢的设备，我们CPU有大量时间都拿来等待I/O完成，为避免空余的没有任何意义的等待，需要等待时，就让CPU运行别的进程或线程。

我们应该最大能力榨取CPU的计算能力，因为CPU的计算能力是随着时间时钟频率的振荡器在震荡，你用或者不用他都在跑。如果你让CPU空闲着，他依然耗电，而且随时间流逝，计算能力白白消逝了，因此能够让CPU工作在80-90%的利用率下，这就意味着他的生产能力得到了充分的发挥。CPU是用不坏的，没有什么磨损很消耗，是电器设备，除了功率大是发热量大，散热足够就好了，对于电器设备而言不用反而会坏。

从硬件看系统启动

内核没有生产力，生产力是由个被调用的应用程序产生，故我们应该尽量让系统运行在应用程序模式中，故内核占据的时间越少越好。而内核主要在进程切换、中断处理等相关功能上，占据时间，模式切换到目的也是为了生产完成，但进程切换与生产就没有任何意义了，中断处理可以认为与生产本身相关，因为应用要执行I/O。

内核的主要目的是完成硬件管理，而linux中有一个思想，各进程都是由其父进程衍生的，由父进程fork()而来的，那么由谁来fork()以及管理这些进程，于是有了大管家程序init，统筹管理用户空间的所有进程。用户空间的管理工作都不会由内核执行，故我们启动完内核之后，要想启动用户空间首先需要启动init，故init的PID号永远为1。 init也是由其父进程fork()而来，是内核空间中的用来专门引导用户空间进程的机制。init是一个应用程序，在/sbin/init下，是一个可执行文件。