Linux 内核是一个表面简单，内部十分完整而复杂的开源操作系统内核，被广泛应用于服务器，智能设备，移动端和嵌入式等各种场景。想要系统地学习 Linux 内核，首先需要明确它的总体框架和模块分布。
本文将从应用观点出发，分析 Linux 内核中各个核心组成部分，帮助阅读者打通某一部分学习后，能与全局交合，结构综合理解。
在这里插入图片描述
一、Linux 内核总体构成
以使用观点说，Linux 内核可以分为四层：
Linux 内核总体构成
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|├—【一、架构层 (arch/)】
|├—【二、核心层 (kernel/)】
|├—【三、子系统层 (fs/mm/sound/net/...)】
|└—【四、驱动层 (drivers/)】
【1】架构层 (arch/)
实现对应 CPU 架构的启动线程、下升文件、中断调用、MMU配置等架构级别的选择和扩展，如 arch/arm64/ 。
【2】核心层 (kernel/)
包括内核调度器、并发断言、时钟机制、常规表等内核核心环节，也包括 kthread 线程管理、rcu 缓存、printk 日志系统。
【3】子系统层
包括存储系统(mm/)、文件系统(fs/)、声音子系统(sound/)、网络系统(net/)、安全系统(security/)等。每一子系统都是一套自我完整的 API + 内核协调机制。
【4】驱动层 (drivers/)
接口硬件，属于实际运行环境级，包括 platform 驱动，各类总线(i2c/spi/usb)，存储、声音、电源、gpu/vpu 等高级驱动。
二、启动流程前端观察
U-Boot/TF-A↓
start_kernel()↓
init/main.c -> rest_init()↓
kernel_init_freeable()↓
initcalls 初始化各子系统
根据这个流程，你在阅读内核日志或调试时，可以看 initcall debug 日志，分析每个子系统被调用的时机和顺序。
三、核心模块系统细分
1. 调度器
- 优先级系统：CFS（常规调度）和 RT 系统
- task_struct 中的所有操作
- 多核 CPU 下的补偿：affinity / load balance
2. 内存管理
- buddy 分配器
- slab/slub/slob 分配器
- vmalloc / kmalloc / page
- MMU 和页表 / TLB flush
3. 时钟和事件
- jiffies / hrtimer
- 调用延时：workqueue / tasklet / softirq
4. 日志 / printk
- printk 级别
- 日志环绕 buffer
- dev_info / dev_err / dev_dbg
四、设备模型和驱动配套机制
Linux 设备模型是重中之重，分为三个核心概念：
- device：硬件对应对象，在 sysfs 中有存在
- driver：是操作这些设备的程序
- bus：包括 platform / i2c / spi 等总线，托管配对
通过 match 机制，device 和 driver 配对，触发 probe 。
它是进入各类子系统的入口，核心原则是:
实现 driver 配套 bus，并通过设备树(设备树 + device_register) 实现 device 组织
五、子系统分类细解
【1】ALSA 声音子系统
- machine/codec/dai driver 分层
- dapm 电源经路管理
【2】regulator 子系统
- regulator_desc 描述
- supply 关系解析
- runtime PM 系统交互
【3】pinctrl / gpio
- pin 嵌套到 pad 、func 线路
- mux + bias 配置
- 设备树形式表达
【4】clock CCF 子系统
- clk_hw / clk_ops
- clk_get / clk_prepare_enable
- 无效时怎么调试
【5】power domain
- genpd 和 device 关系
- runtime_suspend 切换
六、内核调试和分析手段
| 类型 | 方法 | 描述 |
|---|---|---|
| 日志 | printk / dev_info | 基础日志输出 |
| 进程 | ps / top / pidstat | 跟踪进程体 |
| 系统跟踪 | ftrace / trace_printk | 问题线程折线释放 |
| sysfs | cat /sys/… | 观察设备状态 |
| debugfs | cat /sys/kernel/debug/ | 内核状态清单 |
| panic 分析 | call trace / 栈序解析 | oops 原因根据 |
结论：学习 Linux 内核，不能泛而不精，更需路线清晰
如果你是开发者，想要系统地综合 Linux 内核知识，请按照以下路线简止进行：
- 先看懂总体构成
- 重点看 startup / initcall / probe 调用连
- 选一个子系统（声音，电源，时钟）深挑一周
- 学会用日志和 trace 跟踪内核行为
每天一题面试题，参照内核模块进行代码调试，才是本义的学习。
