1、LINUX简介,武汉大学计算机学院 郑鹏 Email:,内容简介,从操作系统的引导和初始化入手，详细分析Linux操作系统的中断处理、内存管理、进程管理、进程间通信、文件系统、设备驱动以及内核模块机制，讨论其中的主要数据结构及实现算法，以及各部分的主要功能和它们之间的关系。,Linux简介,Linux的起源 Linus Torvalds Linux发音 Linux主要发行版 什么是LINUX,LINUX Logo: penguin mascot,Linux的起源,由于Linux是在Unix的基础上发展而来的。 Unix是由AT&T贝尔实验室的Ken Thompson和Dennis Ritchi
2、e于1969年在一台已经废弃了的PDP-7上开发的；它最初是一个用汇编语言写成的单用户操作系统。 1973年Denis Ritchie在PDP-11上用C语言重新编写(发明C语言的部分目的就在于此) UNIX系统。 1974年AT&T免费将其版权送给大学使用，使其得到扩展与完善，并且在大学广为流行，特别是Berkeley，它标志着UNIX的流行和多样化的开始。 1978年第一个商业化的UNIX系统诞生。,Linux的起源,Linux的出现，最早开始于一位名叫Linus Torvalds的计算机业余爱好者，当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生，他的目的是设计一个代替Minix(是由一位名叫Andrew
3、 Tannebaum的计算机教授编写的一个操作系统示教程序)的操作系统，这个操作系统可用于386、486或奔腾处理器的个人计算机上，并且具有Unix操作系统的全部功能，这就开始了Linux雏形的设计。,Linux的起源,到1992年1月止，全世界大约只有100个左右的人在使用Linux，但正是他们为Linux做了关键性的在线洗礼。他们所提供的所有初期的上载代码和评论后来证明对Linux的发展至关重要，尤为重要的是那些网上黑客们为了解决Linux的错误而编写的许多插入代码段。 网上的任何人在任何地方都可以得到Linux的基本文件，并可通过电子邮件发表评论或者提供修正代码，Usenet还专门为它开
4、辟了一个论坛。于是，Linux就从最开始的一个人思想的产品变成了由无数志同道合的黑客们发起的一场运动。,Linux的起源,1984年，自由软件的积极倡导者Richard Stallman组织开发了一个完全基于自由软件的软件体系GNU，并拟定了一份通用版权协议（General Public License，简称GPL）。 目前人们已很熟悉的一些软件如BIND、Perl、Apache、TCP/IP 、Netscape等实际上都是自由软件的经典之作。,Linux的起源,所谓GNU，是Stallman在1984年提出的一个计划，它的思想是“源代码共享，思想共享”，目的是开发一个完全自由的，与Unix类
5、似但功能更强的操作系统，以便为所有的计算机使用者提供一个功能齐全、性能良好的基本系统。在其他人的协作下，他创作了通用公共许可证(General Public License，GPL)，这对推动自由软件的发展起了重要的作用。与传统的商业软件许可证不同的是，GPL保证任何人有共享和修改自由软件的自由，任何人都有权取得、修改和重新发布自由软件的源代码，并且规定在不增加费用的条件下得到源代码(基本发行费用除外)。,Linux的起源,Linux操作系统软件包不仅包括完整的Linux操作系统、文本编辑器、高级语言编译器等应用软件，还包括带有多个窗口管理器的X Window图形用户界面。,Linux的起源,
6、Linus从不对自由软件应该是什么或者自由软件对于我们有什么样的意义等重大问题妄加评论。但是他却毫不犹豫地把Linux奉献给了自由软件，奉献给了GNU，从而最终使自由软件有了一个发展的根基基于Linux的GNU。 1999年，1千万人在使用Linux 。,Linus Torvalds,Linus portrait:,Linux发音,“Hello, this is Linus Torvalds, and I pronounce Linux as Linux”。,Linux主要发行版,基础知识:Linux与Linux发行版 Linux：本意是指Linus写出来几百万行编译出来几百k放在ftp上的叫
7、做linux-x.x.x.tar.gz的东西。 Linux发行版：诸如Redhat / Slackware / Debian / TurboLinux 等，是把Linux的Kernel和一些以GNU或其他Free的形式分发的应用程序结合起来的distribution。 现在说Linux一般指某个Linux发行版 版本号：内核、发行版 内核：稳定版、测试版 A.BB.CC 版本编号：偶数 for production (stable) 奇数 for development (instable) 发行版基本组成：安装、配置、技术支持、第三方应用,怎么称呼Linux发行版,正确称呼 称为Linux，
8、RedHat发行 或 Linux，TLC发行。如果嫌长也可以说RedHat或TLC。说RedHat、TLC就别提Linux，要提Linux的名字就得说成Linux，RedHat发行。,发行版基本组成,内核：系统核心、网络堆栈 引导管理器：MBR，NT Loader，LILO，GRUB 用户界面：命令行、图形（CDE/KDE/GNOME） X Window：图形子系统，Xfree86 因特网：DNS/HTTP/SMTP/FTP/NNTP/PPP 文件及打印服务：NFS、Samba 数据库：mysql、PostgreSQL、DB2、Oracle 8、Sybase 应用程序：Netscape/Sta
9、rOffice/xIRC/LICQ/Gimp/x11amp 包管理器：安装/反安装/升级应用程序、DPM / RPM 开发工具与库：gcc、gdb、glibc、libc 5,Linux主要发行版,目前世界上现有的 Linux Distribution 有数十种以上的版本。 現有常见的 Linux Distribution 有： Fedora/RedHat Slackware Debian OpenLinux Mandrake BluePoint TurboLinux Xteam RedFlag,什么是LINUX,Linux是运行于多种平台（PC、工作站等）之上、源代码公开、免费、遵循 GPL精
10、神、遵守POSIX标准的、与UNIX兼容的操作系统。Linux是微机版的UNIX。,什么是LINUX,Linux以它的高效性和灵活性著称。它能够在个人计算机上实现全部的Unix特性，具有多任务、多用户的能力。Linux可在GNU（“不是UNIX”工程的缩写）公共许可权限下免费获得，是一个符合POSIX标准的操作系统。Linux操作系统软件包不仅包括完整的Linux操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。它还包括带有多个窗口管理器的X-Windows图形用户界面，如同我们使用Windows NT一样，允许我们使用窗口、图标和菜单对系统进行操作。,What is Linux,L
11、inux is a free UNIX clone designed for the Intel 80386- and 80486-class processors on PCs. Linux also works with Pentium-class computers, and with some types of workstations . Linux supports a wide range of software such as TeX, X Window systems, GNU C/C+ compiler, and TCP/IP. Its a versatile, very
12、UNIX-like implementation of UNIX, freely distributed by the terms of the GNU General Public License. Linux is also very closely compliant with POSIX. 1 standard.,Linux系统的主要特点,开放性：指系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。 多用户：是指系统资源可以被不同用户使用，每个用户对自己的资源（例如：文件、设备）有特定的权限，互不影响。 多任务：它是指计算机同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立。
13、良好的用户界面 ：Linux向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用。Linux还为用户提供了图形用户界面。它利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。,Linux系统的主要特点,设备独立性：是指操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以象使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。Linux是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度适应能力。 提供了丰富的网络功能：完善的内置网络。 可靠的安全系统：Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授
14、权等，为用户提供了必要的安全保障。 良好的可移植性：Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。,Linux的整体结构,应用软件及上层用户,系统调用,硬件基础,文件系统,内存管理,进程管理,缓存,块设备,字符设备,各部分功能,系统调用是核心向用户的提供的接口，也是从用户切换到内核的唯一显式途径。 进程管理和文件系统是Linux核心的两大部分。 内存管理为进程提供运行的空间（虚拟空间），是进程管理的一部分。 文件系统用来组织和管理信息，并提供外设的文件化抽象。 文件系统与进程管理之间相互联系，主要通过文件的打开动作来完成。,LINUX的组成,内核
15、：内核是系统的核心，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。 SHELL: Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。 文件系统: Linux文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux能支持多种目前许多文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、VFAT、ISO9660、NFS、SMB等。 实用工具：标准的Linux系统都有一整套称为应用程序的实用程序集，包括文本编辑器、编程语言、X Window、办公套件、Internet工具、数据库等。,POSIX标准,UNIX发展过程中，出现了许多变种（BSD, System V等）。为统一标准，出现了P
16、OSIX系列标准，它定义了一套标准的操作系统接口和工具。POSIX(Portable Operating System Interface，可移植操作系统界面)。 从理论上说，POSIX标准代码很容易移植到任何遵守POSIX的操作系统中。今天，几乎所有的正式操作系统都以支持POSIX标准为目标。,硬件平台,操作系统是直接运行在计算机硬件之上的系统软件，它的主要作用有两个： 屏蔽各种硬件之间的差别，为用户提供一个一致的操作和管理计算机的编程接口。 管理各种资源，尽可能地提高资源的利用率，发挥资源的潜能，提高整个系统的性能，从而为用户提供最优的服务。 作为一个通用的操作系统， Linux可以运行在
17、多种硬件平台上，如Intel, Power PC, Sparc, Alpha, ARM等，其中Intel是Linux最先支持的平台，也使用最广，我们将以Intel平台为主分析Linux操作系统的结构。,硬件平台特权级,Intel体系结构提供了四个特权级：0，1，2，3。其中0级是最高特权级，3级是最低特权级。,第0级,第1级,第2级,第3级,操作系统内核,操作系统服务,应用程序,硬件平台特权级,下面是几个与特权级相关的概念 DPL(Descriptor Privilege Level):描述符特权级:在386保护模式下,采用段描述符来描述段,还有门描述符. CPL(Current Privil
18、ege Level):当前任务特权级:任务由两部分组成,任务执行空间和任务状态段. RPL(Requestor Privilege Level):请求者的特权级:被用来防止出现较低的特权级的程序使用较高的特权级程序去访问被保护的数据. EPL(Effective Privilege Level):有效特权级:请求特权级与任务的当前特权级一起构成有效特权级EPL。 IOPL(I/O Privilege Level):I/O特权级:规定了可以执行所有与I/O相关的指令和访问I/O空间中所有地址的最外层特权级。,硬件平台操作模式,Intel体系结构支持三种操作模式和一种准操作模式： 保护模式：最自然
19、的操作模式，能够达到最高性能。 实地址模式：提供了8086的编程环境，并有一些扩展。 系统管理模式：特殊操作模式，提供给系统固件使用。进入该模式的唯一途径是系统管理中断（SMI）。 虚拟8086模式：准操作模式，允许处理器在保护模式、多任务环境下执行8086软件。,硬件平台描述符,段描述符：大小为8个字节的数据结构。分全局描述符表GDT和局部描述符表LDT。 段选择符：表示一个段的16位标识符。 门描述符：特殊的段描述符。它提供了对不同特权级代码段中过程的存取控制。门描述符有四种： 调用门：进入代码段中某些特殊过程的门户。 中断门和陷阱门：进入中断和异常处理的门户。 任务门：进入任务的一道门户
20、。,硬件平台分页机制,Intel体系结构提供了两种内存管理机制：分段和分页。处理器的控制寄存器中有三个标志用于控制分页。 Intel体系结构按页目录和页表两级结构组织一个 任务的页。 页目录项和页表项中的 R/W、U/S位加上CR0寄存器中的WP位，是实现页级保护的关键。在Linux中，段级的保护基本不起作用，真正实现的是页级的内存保护。,硬件平台寄存器,Intel处理器中有8个通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP。 标志寄存器EFLAGS。 段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS。 管理寄存器： GDTR、LDTR、IDTR、TR。 控制寄存器：
21、CR0、CR1、CR2、CR3、CR4。 指令寄存器EIP。 8个调试寄存器DR0、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6、DR7。 2个测试寄存器TR0、TR1。 特殊模式寄存器是仅由操作系统使用的寄存器。,Linux内核体系结构,目前最新的 Linux内核版本为2.6。 内核设计目标 清晰性（clarity） 兼容性（compatibility） 可移植性（portability） 健壮性（robustness） 安全性（security） 速度（speed）,Linux内核体系结构,Linux 内核主要由5 个模块构成，它们分别是：进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间
22、通信模块和网络接口模块。 进程调度模块用来负责控制进程对CPU 资源的使用。 内存管理模块用于确保所有进程能够安全地共享机器主内存区，同时，内存管理模块还支持虚拟内存管理方式，使得Linux 支持进程使用比实际内存空间更多大的内存容量。 文件系统模块用于支持对外部设备的驱动和存储。虚拟文件系统模块通过向所有的外部存储设备提供一个通用的文件接口，隐藏了各种硬件设备的不同细节。从而提供并支持与其它操作系统兼容的多种文件系统格式。 进程间通信模块用于支持多种进程间的信息交换方式。 网络接口模块提供对多种网络通信标准的访问并支持许多网络硬件。,Linux内核体系结构,各模块之间的依赖关系,Linux内核体系结构内核结构,
