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  • 外壳和内核的主要功能
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    2020-08-23 12:54:52

    Linux系统一般有4个主要部分:内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构,它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。
    一.Linux内核
    内核是操作系统的核心,具有很多最基本功能,如虚拟内存、多任务、共享库、需求加载、可执行程序和TCP/IP网络功能。Linux内核的模块分为以下几个部分:存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信、系统的初始化和系统调用等。
    二.Linux 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。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行,是一个命令解释器。另外,shell编程语言具有普通编程语言的很多特点,用这种编程语言编写的shell程序与其他应用程序具有同样的效果。
    三.Linux文件系统
    文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux系统能支持多种目前流行的文件系统,如EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT和ISO9660。
    四.Linux应用程序
    标准的Linux系统一般都有一套都有称为应用程序的程序集,它包括文本编辑器、编程语言、XWindow、办公套件、Internet工具和数据库等

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    Linux操作系统的构成及内核功能

    博主在上个月开始接触学习一些运维工程师相关的技能,想利用此博客来记录下自己的学习过程,望各路大神看到后有误批评指正,望轻喷。
    最为一名运维工程师,必备技能便是掌握Linux操作系统。
    Linux主要分为用户空间以及内核空间,两者被分隔开,这样使得我们的用户空间崩溃时,不会影响到我们的内核空间。
    用户空间只能进行一些简单的运算,具有的功能有限。用户空间包括了:
    • Library(库,用于开发软件的子集合)
    • system daemons(系统守护程序,守护系统的安全)
    • shell(外壳,操作员与操作系统交互的界面)
    • tools(电脑中的一些辅助工具)
    下面列举一些用户的应用程序:
    • DBs(数据库系统)
    • Web(全球广域网)
    • Net(微软的用户操作平台)
    内核空间主要包括:
    • 调度器:主要负责进程管理,合理有序的进行资源的分配。
    • 驱动器:主要负责驱动管理,实现操作系统与物理层的一个交互
    • 网络与安全技术及协议:实现网络的正常通信,以及在数据传输时的保密性、完整性和可靠性,控制受限网域和敏感信息
    Linux的内核功能:
    • 进程管理:负责创建和销毁进程,并处理输入设备和输出设备的不同进程间的数据处理,主要使用的时调度器。
    • 内存管理:内存是计算机最主要的资源,如何去管理内存对于系统的性能至关重要。
    • 文件系统管理:Linux的一大原则:一切皆文件。文件系统使得文件具有一定的组织结构。
    • 网络管理:决定了我们的主机能否正常的访问外网。
    • 驱动管理:实现了我们的操作系统与物理层的一个连接。

    等。

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  • VxWorks内核解读

    2022-06-16 10:01:01
    VxWorks内核解读 详细介绍内核启动模块
  • Linux总体架构图咱们先...这些系统调用组成了用户态跟内核态交互的基本接口,例如:用户态想要申请一块20K大小的动态内存,就须要brk系统调用,将数据段指针向下偏移,若是用户态多处申请20K动态内存,同时又释放呢...

    Linux总体架构图

    咱们先来看一张Linux总体架构图。html

    fbb982e0c5687066b0a4ab185d7c9daf.png

    系统调用

    ​ 系统调用时操做系统的最小功能单位。根据不一样的应用场景,不一样的Linux发行版本提供的系统调用数量也不尽相同,大体在240-350之间。这些系统调用组成了用户态跟内核态交互的基本接口,例如:用户态想要申请一块20K大小的动态内存,就须要brk系统调用,将数据段指针向下偏移,若是用户态多处申请20K动态内存,同时又释放呢?这个内存的管理就变得很是的复杂。程序员

    库函数

    ​ 库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节,减轻程序员的负担,从而更加关注上层的逻辑实现。它对系统调用进行封装,提供简单的基本接口给用户,这样加强了程序的灵活性,固然对于简单的接口,也能够直接使用系统调用访问资源,例如:open(),write(),read()等等。库函数根据不一样的标准也有不一样的版本,例如:glibc库,posix库等。shell

    Shell

    ​ Shell顾名思义,就是外壳的意思。就好像把内核包裹起来的外壳。它是一种特殊的应用程序,俗称命令行。为了方便用户和系统交互,通常一个Shell对应一个终端,呈现给用户交互窗口。固然Shell也是编程的,它有标准的shell语法,符合其语法的文本叫Shell脚本。不少人都会用Shell脚本实现一些经常使用的功能,能够提升工做效率。编程

    为何要区分用户态与内核态?

    在CPU的全部指令中,有一些指令是很是危险的,若是错用,将致使整个系统崩溃。好比:清内存、设置时钟等。若是全部的程序都能使用这些指令,那么你的系统一天死机N回就不足为奇了。因此,CPU将指令分为特权指令和非特权指令,对于那些危险的指令,只容许操做系统及其相关模块使用,普通的应用程序只能使用那些不会形成灾难的指令。Intel的CPU将特权级别分为4个级别:RING0、RING1、RING2、RING3。安全

    ​ 当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,咱们就称进程处于内核运行态(或简称为内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。微信

    当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每一个进程都有本身的内核栈。

    当进程在执行用户本身的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。即此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。

    ​ 当正在执行用户程序而忽然被中断程序中断时,此时用户程序也能够象征性地称为处于进程的内核态。Linux使用了Ring3级别运行用户态,Ring0做为 内核态,没有使用Ring1和Ring2。Ring3状态不能访问Ring0的地址空间,包括代码和数据。Linux进程的4GB地址空间,3G-4G部分你们是共享的,是内核态的地址空间,这里存放在整个内核的代码和全部的内核模块,以及内核所维护的数据。用户运行一个程序,该程序所建立的进程开始是运 行在用户态的,若是要执行文件操做,网络数据发送等操做,必须经过write,send等系统调用,这些系统调用会调用内核中的代码来完成操做,这时,必 须切换到Ring0,而后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执行这些代码完成操做,完成后,切换回Ring3,回到用户态。网络

    这样,用户态的程序就不能 随意操做内核地址空间,具备必定的安全保护做用。架构

    处理器总处于如下状态中的一种:函数

    一、内核态,运行于进程上下文,内核表明进程运行于内核空间;操作系统

    二、内核态,运行于中断上下文,内核表明硬件运行于内核空间;

    三、用户态,运行于用户空间。

    用户态到内核态怎样切换?

    从用户态到内核态切换能够经过三种方式:

    **系统调用:**这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式,用户态进程经过系统调用申请使用操做系统提供的服务程序完成工做,好比前例中fork()实际上就是执行了一个建立新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心仍是使用了操做系统为用户特别开放的一个中断来实现,例如Linux的int 80h中断。

    **异常:**当CPU在执行运行在用户态下的程序时,发生了某些事先不可知的异常,这时会触发由当前运行进程切换处处理此异常的内核相关程序中,也就转到了内核态,好比缺页异常。

    **外设中断:**当外围设备完成用户请求的操做后,会向CPU发出相应的中断信号,这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序,若是先前执行的指令是用户态下的程序,那么这个转换的过程天然也就发生了由用户态到内核态的切换。好比硬盘读写操做完成,系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操做等。

    这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式,其中系统调用能够认为是用户进程主动发起的,异常和外围设备中断则是被动的。

    参考地址

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  • 内核用户态

    2022-06-24 14:27:01
    代码没有对硬件的直接控制权限,也不能直接访问地址的内存,程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件内存,在这种保护模式下,即时程序发生崩溃也是可以恢复的,在电脑上大部分程序都是在,用户...

    用户态与内核态只是不同权限的资源范围

    1、执行内核空间的代码,具有ring 0保护级别,有对硬件的所有操作权限,可以执行所有CPU 指令集,访问任意地址的内存,在内核模式下的任何异常都是灾难性的,将会导致整台机器停机

    2、在用户模式下,具有ring 3保护级别,代码没有对硬件的直接控制权限,也不能直接访问地址的内存,程序是通过调用系统接口(System Call APIs)来达到访问硬件和内存,在这种保护模式下,即时程序发生崩溃也是可以恢复的,在电脑上大部分程序都是在,用户模式下运行的

    PS:每个进程都有两个栈,分别是用户栈与内核栈,对应用户态与内核态的使用


    用户态与内核态的空间 以32位4G为例

    1. 用户态:只能操作 0-3G 范围的低位虚拟空间地址
    2. 内核态:0-4G 范围的虚拟空间地址都可以操作,尤其是对 3-4G 范围的高位虚拟空间地址必须由内核态去操作
    3. 补充:3G-4G 部分大家是共享的指所有进程的内核态逻辑地址是共享同一块内存地址),是内核态的地址空间,这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块,以及内核所维护的数据

    关于共享:
    正是因为共享,应用程序可以打开多个,但是使用的是同一个驱动程序;所以驱动程序中的才有用,因为所有的用户程序使用的同一个内核。


    每个进程的 4G 虚拟空间地址,高位 1G 都是一样的,即内核空间。只有剩余的 3G 才归进程自己使用,换句话说就是, 高位 1G 的内核空间是被所有进程共享的!

    最后做个小结,我们通过指令集权限区分用户态和内核态,还限制了内存资源的使用,操作系统为用户态与内核态划分了两块内存空间,给它们对应的指令集使用。


    用户态与内核态的切换

    在这里插入图片描述
    库函数:就是屏蔽这些复杂的底层实现细节,减轻程序员的负担,从而更加关注上层的逻辑实现,它对系统调用进行封装,提供简单的基本接口给程序员。
    Shell:,就是外壳的意思,就好像把内核包裹起来的外壳,它是一种特殊的应用程序,俗称命令行。Shell也是可编程的,它有标准的Shell 语法,符合其语法的文本叫Shell脚本,很多人都会用Shell脚本实现一些常用的功能,可以提高工作效率。

    系统调用:为了使用户态程序可以访问到内核资源(CPU、内存、I/O等),内核必须提供一组通用的访问的接口
    (驱动的调用:APP使用open等系统调用接口进入内核态,通过VFS层找到对应的驱动文件,再到达硬件)


    三种切换情况

    系统调用:用户态进程主动切换到内核态的方式,用户态进程通过系统调用向操作系统申请资源完成工作,例如 fork()就是一个创建新进程的系统调用,系统调用的机制核心使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现,如Linux 的 int 80h 中断,也可以称为软中断

    异常:当 C P U 在执行用户态的进程时,发生了一些没有预知的异常,这时当前运行进程会切换到处理此异常的内核相关进程中,也就是切换到了内核态,如缺页异常。

    中断:当 C P U 在执行用户态的进程时,外围设备完成用户请求的操作后,会向 C P U 发出相应的中断信号,这时 C P U 会暂停执行下一条即将要执行的指令,转到与中断信号对应的处理程序去执行,也就是切换到了内核态。如硬盘读写操作完成,系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后边的操作等。

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  • Linux内核主要功能

    千次阅读 2013-03-19 22:30:26
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