目录

三 内核的运行

9 设备树：

  1) 设备树产生缘由

  2) 设备树方案的流程

  3) 有了上述概念，为了支撑整个设备树的工程实现，内核实现以下内容

  4) 内核解析设备树

  5) 入口分析

  6) 解析处理。

10 udev devfs sysfs

11 系统中的USB设备 

12 网络子系统

13 文件子系统

四 运行的内核

三 内核的运行

9 设备树：

  1) 设备树产生缘由

  为解决板级设备杂乱的问题，提供一种简洁方便的管理方案

  通过定义一些规则，按规则描述设备信息，然后由内核解析，动态生成设备相关代码，完成设备的挂载

  相对硬件编码而言，规则可以看作是在代码上面又封装了一层，更加灵活

  而且，规则可以定义的更适合人类阅读，这样对提高效率和复用，也很有帮助

  2) 设备树方案的流程

  定义设备数规则，根节点，子节点，节点属性，节点属性值，cell单元，引用等等。

  需要注意，根

  需要注意，可以支持c语言预处理

  需要注意，节点可以被覆盖，重写

  需要注意，一些节点有限制，比如CPU 节点中的size必须为0， memory的类型必须为memory

  需要注意，节点名称带有 根 标记

  属性可以有值，也可以无值

  属性值可以为字符串，字符串数组，以及字节数组等形式

  cell单元，需要注意格式，其地址和size由父节点决定

  中断分ppi spi，分上升沿下降沿等，有专有定义

  引用可以使用label形式，也可以自定义全局唯一值来实现

  兼容属性定义为从一般到特殊，如果一致，需要通过model属性区分

  以上为设备树本身的一些构成规则，编写和查看设备树文件时会用到上述内容。

  从名称可以看出来，设备树的组织结构形式为树。树是一种层次结构，对应到设备上，也代表着根、枝、叶的构成。

  根可以看作是顶层总线，下面挂接了CPU、内存和其他总线，总线下面还可以有总线和设备，这样一级一级展开，构成了系统的硬件体系结构

  对应到设备树中，也就存在着父节点和子节点

  3) 有了上述概念，为了支撑整个设备树的工程实现，内核实现以下内容

  首先是设备树规则，不再多说。

  其次是设备树文件，dts格式，source文件，另外还有dtsi格式，属于头文件，设备树支持头文件引用，这有利于代码复用和管理。除此，设备树还支持C语言的宏定义等

  编写设备树文件后，该文件内容是human readable的，但不是计算机容易readable的，所以还需要进行转换

  内核提供dtc工具，将dts文件内容编译成dtb格式。blob代表着二进制的对象。内核读取dtb格式内容，动态生成内存中的设备对象。

  dtc工具在内核源代码的/scripts/dtc/下，编译内核源代码时，会编译出主机端的dtc工具。需要打开内核的CONFIG_DTC选项，配置其为Y

  如果配置了CONFIG_ARM_APPENDED_DTB=y，编译内核源代码时，会自动调用dtc工具编译生成dtb文件，并将其附到内核尾部。

  当然，我们也可以单独执行该命令编译内核dtb文件，比如

  ./scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o /home/nfsshare/hisi.dtb arch/arm/boot/dts/hi3519av100.dts

  内核在编译过程中，如何确定编译那些dts文件呢，这些在makefile中会指定，比如对于hisi来讲，arch/arm/boot目录下makefile中有 

include $(srctree)/arch/arm/boot/dts/Makefile，在这个makefile中，又会引入dtb-$(CONFIG_ARCH_HISI) += \hi3519-demb.dtb

  定义了dtb目标，目录下有hi3519-demb.dts源文件，这样dtc工具就会将该文件编译为目标的dtb文件

  dtc工具不但可以编译dtb文件，还可以将dtb文件反编译为dts文件。我们看到，为了管理和复用代码，dts文件支持头文件引用，节点覆盖等。

  当文件变得庞大时，对于确认和查找节点的最终描述，反而有点不方便，此时可以使用反编译过程，将dtb文件反编译为dts文件。

  反编译后的文件是最终整理过的结果，是一颗比较规整和标准的树结构，节点描述是唯一的，这对于确认节点的最终描述，反倒是比较方便的。反编译命令如下

  ./scripts/dtc/dtc -I dtb -O dts -o /home/nfsshare/hisi.dts arch/arm/boot/dts/hi3519av100-smp-flash.dtb

  可以看到，输入-I和输出-O格式发生了调换，输出文件-o也变为了dts格式，默认输入源倒是dtb

  4) 内核解析设备树

  有了dtb文件，内核就可以解析该文件，动态生成设备对象。

  dtb文件的解析在内核启动过程的开始阶段，最终也是解析为一棵树。（待确认）。后续，在内核启动的后期阶段，init线程中，加载设备驱动时，会遍历之前解析的树，

  找到每一个节点，生成节点相关的设备对象及属性信息。（待确认）

  到此，整个链条就完整了。

  5) 入口分析

  除了内核，uboot也是可以支持设备树的。相应的，就有以下几种可能：

  A uboot支持设备树，uboot解析设备树，将解析后的结果地址告诉内核（这种应该是不行的，从软件开发感觉来讲，也没必要，反而增加了uboot和内核之间的耦合度）

  B uboot支持设备树，uboot不解析设备数，只是将dtb文件的地址告诉内核，由内核解析从特定内存或者存储地址获取dtb信息，并进行解析。

  实际中是采用这种方式，bootm启动内核时，除了传递内核地址外，还需要在命令行参数中增加dtb的地址。这种方式，二者之间通过dtb达成一致。只要对dtb的解读一致即可。

  其实，也完全可以做到不存在任何耦合，比如dtb文件只在内核这一端生成

  C uboot不支持设备树，这种情况下，uboot仍然按照bootm启动内核，设备树的相关操作完全由内核完成。

  此时，在内核编译中，平台体系结构相关部分，不再是obj-y的目标，而是dtb-y。查看内核源代码可以发现，此时arch/arm/目录下的mach-xxx目录下，体系结构相关代码已经很少

  转而，在arch/arm/boot/dts目录下有大量体系结构相关的dts存在。

  makefile中也是指定dtc工具编译dtb目标，同时定义了zImage-dtb目标，由原始vmlinux生成压缩的zImage后，通过@cat $(obj)/zImage $(DTB_OBJS_FULL) > $@将dtb目标缀在zImage后面生成zImage-dtb

  最终生成uboot引导的uImage镜像也是基于zImage-dtb结果。

  $(obj)/uImage:  $(obj)/zImage-dtb FORCE

 用二进制编辑工具打开此时的uImage，可以在末尾看到可读的dts痕迹，比如P/soc/amba/uart@04540000等，说明内核镜像中包括了dtb内容。

 为了让内核启动时，自动查找dtb并进行解析，需要打开配置选项CONFIG_ARM_APPENDED_DTB。

   当上述选项配置为Y时，在compressed目录下的head.S汇编代码中，可以看到有对设备树的处理

   补充一点，zImage作为压缩镜像，其生成$(obj)/zImage:  $(obj)/compressed/vmlinux FORCE依赖于compressed下的目标

   head.S汇编代码会嵌入到内核启动代码中，判断启动合法条件，引导跳转到C代码，在head.S中会发现如下一段代码，

    #ifdef CONFIG_ARM_APPENDED_DTB/**   r0  = delta*   r2  = BSS start*   r3  = BSS end*   r4  = final kernel address (possibly with LSB set)*   r5  = appended dtb size (still unknown)*   r6  = _edata*   r7  = architecture ID*   r8  = atags/device tree pointer*   r9  = size of decompressed image*   r10 = end of this image, including  bss/stack/malloc space if non XIP*   r11 = GOT start*   r12 = GOT end*   sp  = stack pointer** if there are device trees (dtb) appended to zImage, advance r10 so that the* dtb data will get relocated along with the kernel if necessary.*/ldr	lr, [r6, #0]#ifndef __ARMEB__ldr	r1, =0xedfe0dd0		@ sig is 0xd00dfeed big endian#elseldr	r1, =0xd00dfeed#endifcmp	lr, r1bne	dtb_check_done		@ not found

  从上面代码可以看出，r6是内核正常的结尾处，D0 0D FE ED是dtb的魔数，当CONFIG_ARM_APPENDED_DTB选项被选中时

    会将内核正常结尾处也就是附加dtb开头的内容加载到lr中，同时根据大小端，将dtb的魔数设置到寄存器r1中

    接着判断二者是否相等，如果不等，说明未找到dtb，否则说明内核自带了dtb

    如果发现存在dtb append，则在后续解压内核时避免对dtb部分造成影响，最终调整dtb的相关指针，以便内核启动时，能够正确加载和解析dtb

  6) 解析处理。

10 udev devfs sysfs

  设备的发现与管理

  内核启动时，初始化相关资源，包括进程、内存、中断、锁、设备模型、文件系统框架、用户空间交互通道等，并完成设备树的解析

  内核创建init进程，在恰当时机执行initcall区域的函数指针，进行driver setup

  各个驱动模块的初始化在执行过程中，会进行总线注册和设备匹配，匹配分多种条件，包括id table，设备名称，设备树兼容性属性等等。一般按照严格到宽松的条件进行匹配。

  匹配成功后，驱动的probe接口将被调用，进行设备的初始化及设备所需中断和内存等资源的申请

  之后，设备一般在中断的驱动下开始正常工作，包括上层触发数据发送，中断触发数据接收，上层触发各种控制操作等。

  在Linux中，一切设备均抽象为文件。内核驱动中，可以申请设备号，成功后，在proc/devices中可以看到设备号使用情况

  设备号申请分自动和手动两种，自动方式由内核提供空闲设备号，手动由驱动主动注册设备号，手动方式可能存在设备号冲突情况

  设备驱动申请设备号并注册后，只是在上述目录下可以看到新增加的设备号，而/dev目录下并没有实际产生设备节点

  要在/dev目录下产生设备节点，有多种方式，一种是驱动中调用内核接口device_create，注册时自动生成设备节点；一种是通过sysfs系统，在用户空间通过udev工具生成；还可以调用mknod程序，手动生成。

  在内核驱动中自动创建设备节点存在一些缺点，比如节点命名问题，特定功能节点的创建问题。

  所以，一些节点可能在需要时由用户空间程序创建，会提供方便。但是，完全交给用户空间，也存在问题。比如，设备发现问题。在错过设备驱动加载时机后，如何发现设备。

  这里也牵涉一些关于内核职责的问题，比如机制与策略的分离。

  2.6之后的内核提供了sysfs系统，用于管理总线、驱动、设备及它们之间的关系。udev工具就是基于sysfs进行设备管理的用户空间程序。

  借助udev工具，可以很好的解决设备命名问题，也可以在设备发现和移除时，很方便的执行定制化动作。

  整个流程为：

  首先，内核在初始化过程中，会加载内置驱动，完成设备的初始化和部分设备的创建。

  init程序加载用户空间第一个程序并执行时，会执行udevd后台例程。

  udevd会使用/etc/udev/udev.conf文件配置自己

  udevd会监听内核设备事件，包括add remove change等

  检测到事件后，会按优先级匹配/etc/udev/rules.d/下面的规则文件（规则文件是udevd启动时预置到其内存数据结构中的？）

  udevd是否会监听/etc/udev/rules.d目录下的规则文件的变化，实时更新规则。应该要这样，否则，需要重启udevd获取系统，这不符合用户体验要求。

  udevd会遍历所有预置的规则，匹配后，就执行相应的动作，包括赋值、执行动作、获取特定动作的结果进行赋值或执行动作

  动作的执行要放到单独的环境中，如果是脚本的话，要明确指定shell类型，udevd会fork子进程处理动作。ps可能会看到多个udevd daemon进程。

  规则文件编写原则可参考已有规则文件，其中有关属性和预定义变量，可以通过执行udevadm info -q all -n /dev/xxx -a的输出查看

  设备的相关操作信息会被记录到一个数据库中，udevadm就是读取数据库信息来展示设备相关信息的。

  -a参数可以输出设备的整个加载链条，比如从最顶层的总线到下一级总线到再下一级总线，直到当前指定设备为止。

  设备的组成结构是一个树形结构，比如执行udevadm info -q all -n /dev/sdd -a输出sdd设备信息如下

looking at device '/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd':KERNEL=="sdd"SUBSYSTEM=="block"DRIVER==""ATTR{ro}=="0"ATTR{size}=="7814037168"ATTR{stat}=="    4597       46    37126    69300    10595     5825  2513672    73590        0    53330   142880"ATTR{range}=="16"ATTR{discard_alignment}=="0"ATTR{events}==""ATTR{ext_range}=="256"ATTR{events_poll_msecs}=="-1"ATTR{alignment_offset}=="0"ATTR{inflight}=="       0        0"ATTR{removable}=="0"ATTR{capability}=="50"ATTR{events_async}==""looking at parent device '/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0':KERNELS=="3:0:0:0"SUBSYSTEMS=="scsi"DRIVERS=="sd"ATTRS{rev}=="CV11"ATTRS{type}=="0"ATTRS{scsi_level}=="6"ATTRS{model}=="ST4000VX005-2LY1"ATTRS{state}=="running"ATTRS{queue_type}=="simple"ATTRS{modalias}=="scsi:t-0x00"ATTRS{iodone_cnt}=="0x4826"ATTRS{iorequest_cnt}=="0x4844"ATTRS{queue_ramp_up_period}=="120000"ATTRS{timeout}=="30"ATTRS{evt_media_change}=="0"ATTRS{ioerr_cnt}=="0x0"ATTRS{queue_depth}=="31"ATTRS{vendor}=="ATA     "ATTRS{device_blocked}=="0"ATTRS{iocounterbits}=="32"looking at parent device '/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0':KERNELS=="target3:0:0"SUBSYSTEMS=="scsi"DRIVERS==""looking at parent device '/devices/platform/ahci.0/ata4/host3':KERNELS=="host3"SUBSYSTEMS=="scsi"DRIVERS==""looking at parent device '/devices/platform/ahci.0/ata4':KERNELS=="ata4"SUBSYSTEMS==""DRIVERS==""looking at parent device '/devices/platform/ahci.0':KERNELS=="ahci.0"SUBSYSTEMS=="platform"DRIVERS=="ahci"ATTRS{modalias}=="platform:ahci"looking at parent device '/devices/platform':KERNELS=="platform"SUBSYSTEMS==""DRIVERS==""

  可以看到，树根是platform，中间控制器scsi，最后是block

  另外，需要注意到，父节点中名称和属性都带S，本节点中不带S，这一点在书写规则文件时也适用。即规则文件中，如果是匹配父节点的属性，则需要使用ATTRS。

  规则文件中至少需要一个匹配和一个赋值，匹配使用==，赋值使用=，赋值可以是重命名节点相关属性，或者执行定制动作。

  使用udev工具主要就是通过规则匹配来执行相关动作，所以规则文件匹配很重要。但是事件的产生，比如设备插拔等，是需要一定条件的，这对规则文件的验证带来了一些麻烦

  能否模拟整个过程，对规则进行快速验证调试呢？如果可以做到这点，那么对提高效率，就非常有帮助了。

  udevadm提供了多个选项，可以帮助用户快速调试验证规则。

  首先，让目标设备正常加载进系统中

  然后，使用前面的udevadm info选项，查看系统中的事件信息，包括一些本地属性和父节点信息

  利用上述信息，编写初步的规则文件

  使用命令udevadm test /sys/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd模拟规则的匹配和执行过程

  上述命令后面部分是具体设备信息，该命令选项只是模拟过程，不会真正执行

  命令也会输出规则文件的解析优先级，使用该命令可进行初步调试

  下面进行正式的验证

  首先，我们可以启动udevadm monitor，监控实时的事件信息，为调试提供分析依据，如下所示：

udevadm monitor --propertymonitor will print the received events for:UDEV - the event which udev sends out after rule processingKERNEL - the kernel ueventKERNEL[1624468946.462053] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd (block)UDEV_LOG=3ACTION=addDEVPATH=/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sddSUBSYSTEM=blockDEVNAME=sddDEVTYPE=diskNPARTS=3SEQNUM=1416MAJOR=8MINOR=48UDEV  [1624468946.474712] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd (block)UDEV_LOG=3ACTION=addDEVPATH=/devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sddSUBSYSTEM=blockDEVNAME=/dev/sddDEVTYPE=diskNPARTS=3SEQNUM=1416MAJOR=8MINOR=48

  monitor会输出内核的uevent事件和udev处理后输出的event

  其次，使用udevadm trigger触发事件，比如对于上述硬盘加载，可以用如下触发命令

  udevadm trigger --action=add --subsystem-match=block --sysname-match=sdd

  udevadm trigger --action=add --subsystem-match=block --sysname-match=sd*

  trigger支持shell的通配符匹配，只触发满足规则的节点的事件，这一点需要注意，比如对于上面的第一条规则，monitor输出

  KERNEL[1624533496.063615] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd (block)KERNEL[1624533496.063753] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd1 (block)KERNEL[1624533496.063840] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd2 (block)KERNEL[1624533496.063919] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd3 (block)

  对于上述第二条，monitor输出

  KERNEL[1624533496.063995] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.1/1-1.4.1:1.0/host4/target4:0:0/4:0:0:0/block/sdb (block)KERNEL[1624533496.064080] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.2/1-1.4.2:1.0/host5/target5:0:0/5:0:0:0/block/sda (block)KERNEL[1624533496.064181] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.2/1-1.4.2:1.0/host5/target5:0:0/5:0:0:0/block/sda/sda1 (block)KERNEL[1624533496.064269] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.3/1-1.4.3:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdc (block)UDEV  [1624533496.081699] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.1/1-1.4.1:1.0/host4/target4:0:0/4:0:0:0/block/sdb (block)UDEV  [1624533496.082981] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.3/1-1.4.3:1.0/host6/target6:0:0/6:0:0:0/block/sdc (block)UDEV  [1624533496.083941] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.2/1-1.4.2:1.0/host5/target5:0:0/5:0:0:0/block/sda (block)UDEV  [1624533496.085070] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd (block)UDEV  [1624533496.103061] add      /devices/platform/hiusb-ehci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4.2/1-1.4.2:1.0/host5/target5:0:0/5:0:0:0/block/sda/sda1 (block)UDEV  [1624533496.107014] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd3 (block)UDEV  [1624533496.107077] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd2 (block)UDEV  [1624533496.112003] add      /devices/platform/ahci.0/ata4/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdd/sdd1 (block)

  可见，monitor输出为满足trigger条件的节点，并未输出父节点或子节点

  另外，trigger可以匹配的选项也是比较多的，可以支持attribute匹配，如下

  udevadm trigger --action=add --subsystem-match=block --attr-match=size=7814037168

  使用上述命令时，需要注意只输出符合条件的节点，另外，发现trigger不触发同时匹配父子节点的条件

udevadm trigger --action=add    --attr-match=model=ST4000VX005-2LY1 --attr-match=size=7814037168

  这一点与上面所述的规则也是一致的

  trigger触发事件后，udev就会匹配规则文件，然后执行动作，通过观察monitor的输出，检查动作的执行是否符合预期。

  另外，udevadm control可以修改udev后台例程的日志级别

  实际设备上发现，修改udev.conf文件，将日志级别从err改为debug或info后，系统启动不了，加载根文件系统后，不再进一步加载其他程序，这一点待研究确认。

  通过上述流程，可以发现，新接入的设备，会由内核产生event，udev可以捕获该event

  如果错过设备接入时机，没有捕获事件，可以通过trigger主动触发，让内核将之前保存的事件再次通知到应用层，同样可以匹配规则执行动作

  所以结合sysfs和udev可以解决设备的重命名和挂载等处理需求

  最后补充强调一下，

  这里的trigger本质上是让内核重新发出事件，也就是说，实际上事件已经错过了。

  根文件系统加载后，对于用户空间加载前，即udev本身启动监控前，内核驱动加载过程中已经识别和加载的设备，如何进行配置，就是依靠该命令

  但是udev是在用户空间启动的，所以udev启动后，如果需要处理内核加载过程中的设备事件信息，就需要重新触发。但此时，该如何确定匹配条件呢？

  答案是直接执行udevadm trigger，不加参数，此时内核会将所有产生的事件全部上报，由udev按需处理。

11 系统中的USB设备 

  执行lsusb命令输出如下内容

  Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0001 主机控制器 根HUBBus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 主机控制器 根HUBBus 001 Device 002: ID 05e3:0610 USB HUBBus 001 Device 003: ID 05e3:0610 USB HUBBus 001 Device 004: ID 05e3:0610 USB HUBBus 001 Device 009: ID 1c9e:9b3c 龙尚模块Bus 001 Device 006: ID 0424:2240 USB读卡器Bus 001 Device 007: ID 0424:2240 USB读卡器Bus 001 Device 008: ID 0424:2240 USB读卡器Bus 001 Device 005: ID 0403:6011 USB转串口Bus 001 Device 010: ID 1c9e:9b3c 龙尚模块Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 主机控制器 根HUBBus 003 Device 002: ID 0eef:0001 触摸屏Bus 004 Device 001: ID 1d6b:0003 主机控制器 根HUB

  从上面可以看出，有四个总线，每个总线上各有1个或多个设备

  从CPU角度来看，整体的USB树形结构如下图所示：

CPU --ohci 根设备，全速设备--usb2 [1d6b:0001] 主机USB控制器--ehci 根设备，高速设备--usb1 [1d6b:0002] 主机USB控制器--1-1 [05e3:0610] USB HUB--1-1.1 [1c9e:9b3c] 龙尚模块--1-1.4 [05e3:0610] USB HUB--1-1.4.1 [0424:2240] 三个存储卡USB口读卡器--1-1.4.2 [0424:2240]--1-1.4.3 [0424:2240]--1-1.2 nop--1-1.3 nop--1-2 [05e3:0610] USB HUB--1-2.1 [0403:6011] USB转串口--1-2.1:1.0 转换的多个串口--1-2.1:1.1--1-2.1:1.2--1-2.1:1.3--1-2.2 [1c9e:9b3c] 龙尚模块--xhci 根设备，USB3.0--usb3 [1d6b:0002] 主机USB控制器--touch [0eef:0001] 触摸屏--usb4 [1d6b:0003] 主机USB控制器--usb4 [1d6b:0003] 主机USB控制器

  CPU本身带了三个控制器，分别支持全速，2.0以及3.0的USB设备。

12 网络子系统

   文件抽象特性在网络子系统表达能力不强。

   不过，仍然可以通过iNode将网络子系统中的资源和对象跟文件关联起来，这对特定情况下的问题查找很有帮助。

   区分路由策略和路由表

   待补充。

13 文件子系统

   关键几个数据结构

   超级块  inode  目录  文件   等。

   文件子系统有两个主要问题需要处理，一个是高效的组织结构；一个是一致性。

   这里一致性是更加棘手的一个问题。文件系统主要通过两个手段来保证一致性，一个是日志，一个是写时复制。

   除此，还有其他一些原则，包括读写、节点、速度、大小、压缩、缓存、备份、索引、均衡、随机等原则。

   具体参见博客：

   7.5 文件系统_龙赤子的博客-CSDN博客

   关于缓存，多说一点。

   页缓存与缓冲区缓存。文件子系统构建后，优化的一大目标就是缓冲。我们知道，机械硬盘的吞吐量跟CPU和内存的处理速度差异太大。

   特别是近二三十年，摩尔定律使得CPU处理性能不断翻翻，但是机械硬盘的速度，并没有太大的改进。为了匹配速度上的差异，就需要缓存来解决。

   在嵌入式领域，很多时候使用flash作为数据断电保存的介质。相对机械动作，电子芯片的处理速度有很大的提升，但是跟CPU和内存相比，仍然有很大差距，所以缓存仍然是需要的。

   最开始，块设备缓冲（更多针对直接操作物理设备块）是单独的，跟页缓冲（更多是针对文件映射）没有关系，这样一来，同一份数据，在内核中就可能存在多份。

   后来，将二者整合到一起，在底层都是基于页缓冲。按物理页操作，也是内核擅长的。

   实际中可能出现文件内容改变、损坏、丢失的情况。解决思路是

   A 文件定期备份

   B 分类管理，比如对于不变文件，保证只读属性，减少出错可能

   C 监测文件IO状态，获取相关信息，辅助问题分析

   D 异常断电、关机的特殊处理

   E 电磁隔离保护

   F 专用模块负责文件读写管理。

四 运行的内核

  1 可以把内核想象为一个大进程，把自己想想成CPU，CPU就是一些寄存器的集合加逻辑处理过程。

  2 内存视图看内核，Linux 的内存视图

  参见博客：

  学内核之十六：linux内存管理结构大蓝图_龙赤子的博客-CSDN博客

  包括内存实体 ：

  任务结构 链条 地址空间

  3 内核与应用层的交互途径：

  proc

  sys

  dev

  ioctl

  netlink

  unix socket

  4 关于堆栈

  堆栈分内核堆栈和应用堆栈

  对于ARM来讲，在内核配置unwind选项的情况下，堆栈是通过解析unwind段来回溯的。

  unwind段中记录了各个函数的入栈指令，然后根据发生异常时的PC地址，定位到具体的函数，之后反推堆栈操作，得到上一级的lr和fp地址

  lr为调用函数的返回地址，通过该寄存器内容可以知道调用者是那个函数

  fp为堆栈指针，通过该寄存器可以定位堆栈边界，这样一级一级回溯，即可获取调用栈信息。

  关于内核调用栈的回溯，在内核unwind.c代码中

  对CPU和堆栈的关系理解，可参见博主的文章：

  学内核之四：关于内核与硬件的衔接_龙赤子的博客-CSDN博客

  5 关于内核调试分析

  perf 性能跟踪 大框架

  ftrace 函数调用跟踪

  ebpf 事件跟踪