Linux 文件系统体系结构
(东南大学集成电路课程)嵌入式Linux体系结构
– 支持内核虚拟机（KVM）
• 允许在宿主 Linux 内核的用户空间中运行其他客户操作 系统。
国家ASIC系统工程技术研究中心
嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点 – 规范性和可移植性
• 支持POSIX（ Portable Operating System Interface ） 标准 • GNU工具的支持：GCC、GDB、GNU make、GNU ld
国家ASIC系统工程技术研究中心
嵌入式Linux系统结构：Bootloader
在嵌入式Linux系统中，需要由BootLoader设置的 参数有： – 内核参数，如页面大小、根设备 – 内存映射情况 – 命令行参数 – initrd映像参数
• 起始地址，大小
– Ramdisk参数
• 解压后的大小 国家ASIC系统工程技术研究中心
嵌入式Linux的特点
标准Linux的特点（2） – 支持多种处理器体系结构
• X86、ARM、MIPS、M68K、PowerPC、SH、 SPARC… • 支持MMU和non-MMU的处理器 • 支持32位和64位的处理器
– 支持多处理器（SMP）
• 支持32个CPU并行工作
– 支持多种总线接口和外部设备
国家ASIC系统工程技术研究中心
嵌入式Linux系统结构：Kernel
内核：实际上仅仅是一个资源管理器。不管被管理的 资源是进程、内存还是硬件设备，内核负责管理并裁 定多个竞争用户对资源的访问（既包括内核空间也包 括用户空间）。 内核构成 – 体系结构层 – 设备驱动 – 内存管理 – 进程管理 – 虚拟文件系统 – 网络协议 – 系统调用接口
请简述 linux 中的文件系统层次结构
请简述 linux 中的文件系统层次结构
Linux系统的文件系统层次结构是非常复杂的，通常可以分成如下几个层次：
1. 根目录：根目录是 Linux 文件系统中最顶层的根目录，它可以看做是 Linux 系统整个文件系统的根，其它所有的子目录都在它之下，一般用 '/' 表示。
2. 二级目录：包括 '/etc'、'/usr'、'/bin'、'/sbin'、'/lib' 等，这些目录又可以看做是四级目录的父目录，下面可以放置用户自定义的文件和文件夹。
3. 四级目录：这里可以放置用户自定义的应用程序，一般都是以某个子目录名开头，比如 '/usr/local'，'/usr/bin'、'/usr/sbin'等。
4. 程序文件：可以放置各种程序文件，包括可执行文件、库文件、配置文件等。
5. 日志文件：记录系统的运行日志，以及用户行为日志，用于排查故障。
6. 数据文件：用户可以将各种数据文件存放在用户指定的目录下。
总之，Linux系统的文件系统层次结构比较复杂，它们可以根据用户需求和功能进行多层次的划分，以满足用户的不同需求。
linux操作系统的体系结构
linux操作系统的体系结构Linux操作系统的体系结构Linux是一个开源的操作系统内核，它是一个多任务、多用户的操作系统。
它支持大量的硬件平台，可以运行在个人计算机、服务器、移动设备和嵌入式系统中。
Linux操作系统的核心设计是基于UNIX操作系统的设计理念，具有稳定、安全和高性能的特点。
本文将详细介绍Linux操作系统的体系结构。
一、内核空间和用户空间Linux操作系统采用了一种分层的体系结构，将操作系统分为内核空间和用户空间两部分。
内核空间是操作系统内核运行的区域，包括内核代码、驱动程序和中断处理程序等。
用户空间是用户程序运行的区域，包括应用程序、库文件和用户数据等。
内核空间和用户空间通过操作系统提供的系统调用接口进行通信。
用户程序通过系统调用接口请求操作系统提供的服务，如文件操作、进程管理和网络通信等。
操作系统在内核空间中响应这些请求，并将结果返回给用户程序。
二、进程管理Linux操作系统是一个多任务操作系统，能够同时运行多个进程。
进程是程序在操作系统中的实体，它包括代码、数据和运行环境等。
Linux操作系统通过进程管理功能对进程进行管理和调度。
进程管理功能包括创建进程、销毁进程、挂起进程、恢复进程和进程切换等。
Linux操作系统通过调度算法决定哪个进程优先执行，以实现操作系统的高效利用和公平分享。
三、内存管理Linux操作系统通过内存管理功能对内存进行管理和分配。
内存是计算机中重要的资源，操作系统需要有效地管理和分配内存。
Linux操作系统使用虚拟内存管理技术，将物理内存虚拟化为逻辑地址空间。
这样，每个进程都有自己独立的逻辑地址空间，不会相互干扰。
操作系统通过内存管理功能实现虚拟地址到物理地址的转换，并对内存进行分页、分段和交换等操作，以实现内存的高效利用和管理。
四、文件系统Linux操作系统通过文件系统管理文件和目录。
文件系统是一种组织和存储文件的方式，可以将文件组织成层次结构，方便用户访问和管理。
linux体系结构
linux体系结构linux体系结构从⼤⾯上来说，linux体系结构分为：⽤户空间：C库、⽤户应⽤程序内核空间：系统调⽤接⼝、内核、硬件平台依赖代码具体来讲，linux可划分为5个部分：linux内核、GNU⼯具链、桌⾯环境、应⽤软件linux内核系统调⽤接⼝（SCI层）：给应⽤⽤户提供⼀套标准的系统调⽤函数，上层⽤户可以通过这⼀套标准接⼝来访问底层内存管理：进程管理：⽂件管理：设备驱动管理：内存管理1.作⽤：管理物理内存、创建和管理虚拟内存为了使有限的物理内存满⾜应⽤程序对内存的需求，linux采⽤“虚拟内存”的内存管理⽅式实现，实现原理：交换空间：内核在硬盘上化⼀段存储空间来实现虚拟内存，这段存储空间称为“交换空间”页⾯：内存存储单元被分割成很多块，称为“页⾯”页⾯内存表：内核会维护⼀张表，来指明哪些页⾯位于物理内存，那么页⾯位于交换空间换出：物理内存---->交换空间换⼊：交换空间---->物理内存⼯作过程：1、内核将程序运⾏⽤到的页⾯就放到内存⾥，暂时不⽤就放到交换空间中（换出）。
2、当⽤到交换空间的页⾯时，就把它们调到内存中（换⼊），然后把物理内存其他⽤不到的页⾯换出到交换空间。
查看内存#cat /proc/meminfoMemTotal: 1035244 kB #物理内存1GMemFree: 786616 kB #空闲内存700M左右...SwapTotal: 2096472 kB #有2G的交换空间....查看内存使⽤情况#freetotal used free shared buffers cachedMem: 502360 489964 12396 0 53852 283372-/+ buffers/cache: 152740 349620Swap: 1015800 0 1015800共享内存页⾯：创建⼀写共享内存页⾯，⽤于多个进程共享使⽤。
#ipcs -m #查看共享内存页⾯key shmid owner perms bytes nattch status0x00000000 0 rich 600 52228 6 dest#owner：共享内存段的所有者#perms：权限进程管理参见⽂件管理linux内核⽂件管理采⽤虚拟⽂件系统（VFS），隐藏各种⽂件系统的具体细节，为⽂件操作提供统⼀的接⼝。
linux分层设计体系结构
linux分层设计体系结构Linux是一种开源的操作系统，其设计采用了分层的体系结构。
这种设计使得Linux具有高度的灵活性和可扩展性，同时也方便了系统的维护和管理。
本文将详细介绍Linux的分层设计体系结构。
在Linux的分层设计中，最底层是硬件层。
硬件层包括计算机的各种硬件设备，如处理器、内存、硬盘、网络接口等。
Linux通过设备驱动程序来管理和控制这些硬件设备，使其能够与操作系统进行交互。
在硬件层之上是内核层。
内核是操作系统的核心，负责管理系统的资源和提供各种系统服务。
Linux的内核是一个单独的模块，可以独立于其他软件进行开发和维护。
内核提供了各种系统调用接口，以及对进程、文件系统、网络和设备的管理和控制功能。
在内核层之上是库层。
库是一组共享的代码和函数，可以为应用程序提供常用的功能和服务。
Linux提供了许多不同的库，如C库、数学库、网络库等。
这些库可以被开发人员用来开发应用程序，提高开发效率和代码复用性。
在库层之上是应用层。
应用层包括各种应用程序和工具，如文本编辑器、图形界面、网络浏览器等。
这些应用程序可以通过系统调用接口与内核进行交互，并利用库提供的功能来实现各种任务和操作。
除了以上四个层次外，Linux还有其他一些重要的组件和模块。
例如，系统初始化和启动过程中，会加载引导程序和初始化程序；文件系统是用来组织和管理文件和目录的；网络协议栈是用来实现网络通信的；系统服务是用来提供各种系统功能和服务的。
这些组件和模块与其他层次之间相互关联，共同构成了Linux的完整体系结构。
Linux的分层设计体系结构具有许多优点。
首先，分层设计使得系统的各个组件和模块之间相互独立，可以分别进行开发、测试和维护，提高了开发和维护效率。
其次，分层设计使得系统的各个层次之间的接口清晰明确，方便了系统的扩展和升级。
此外，分层设计还提高了系统的稳定性和可靠性，一旦某个层次出现问题，不会对其他层次造成影响。
Linux的分层设计体系结构是一种高效、灵活和可扩展的设计方式。
第12章 Linux操作系统概述
完善的内置网络是Linux的一大特点。Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统。
7可靠的系统安全
Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、
核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
8良好的可移植性
可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能按其自身的方式运行的能
表1.5 /proc 文件系统中的文件和目录
/proc/1 /proc/cpuinfo /proc/devices /proc/dma /proc/ /proc/interrupts /proc/ioports /proc/kcore
该目录中包含进程号为 1 的进程信息。每个进程在 /proc 目录下有 一个以自己的进程号为名称的目录。 有关 CPU 名称、型号、性能和类型的信息。
spool
3. Linux文件结构
1.1.2 Linux 的组成
名称 root
角色
root 文件系统中的内容包括：引导系统的必备文件，文件系统的挂装信息以及系统修复工 具和备份工具等。
/usr /var
/usr 文件系统中包含通常操作中不需要进行修改的命令程序文件、程序库、手册和其他文 档等。
/var 文件系统中包含经常变化的文件，例如打印机、邮件、新闻等的假脱机目录、日志文 件、格式化后的手册页以及临时文件等。
/vmlinuz
表1.2 root 文件系统中的文件和目录 文件。系统的标准引导映像，通常以压缩形式出现。
/bin
包含引导过程必需的命令，也可由普通用户使用。
/sbin /etc
和 /bin 类似，尽管其中的命令可由普通用户使用，但由于这些命令属于系统级命令，因 此无特殊需求不使用其中的命令。
Linux下各文件夹的结构说明及用途介绍
linux下各文件夹的结构说明及用途介绍：/bin 二进制可执行命令/dev 设备特殊文件/etc 系统管理和配置文件/etc/rc.d 启动的配置文件和脚本/home 用户主目录的基点，比如用户user的主目录就是/home/user，可以用~user表示/lib 标准程序设计库，又叫动态链接共享库，作用类似windows里的.dll文件/sbin 系统管理命令，这里存放的是系统管理员使用的管理程序/tmp 公用的临时文件存储点/root 系统管理员的主目录（呵呵，特权阶级）/mnt 系统提供这个目录是让用户临时挂载其他的文件系统。
/lost+found 这个目录平时是空的，系统非正常关机而留下“无家可归”的文件（windows 下叫什么.chk）就在这里/proc 虚拟的目录，是系统内存的映射。
可直接访问这个目录来获取系统信息。
/var 某些大文件的溢出区，比方说各种服务的日志文件/usr 最庞大的目录，要用到的应用程序和文件几乎都在这个目录。
其中包含：/usr/x11r6 存放x window的目录/usr/bin 众多的应用程序/usr/sbin 超级用户的一些管理程序/usr/doc linux文档/usr/include linux下开发和编译应用程序所需要的头文件/usr/lib 常用的动态链接库和软件包的配置文件/usr/man 帮助文档/usr/src 源代码，linux内核的源代码就放在/usr/src/linux里/usr/local/bin 本地增加的命令/usr/local/lib 本地增加的库根文件系统通常情况下，根文件系统所占空间一般应该比较小，因为其中的绝大部分文件都不需要经常改动，而且包括严格的文件和一个小的不经常改变的文件系统不容易损坏。
除了可能的一个叫/ v m l i n u z标准的系统引导映像之外，根目录一般不含任何文件。
所有其他文件在根文件系统的子目录中。
Linux系统一般有4个主要部分
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。
部分层次结构如图1-1所示。
1. linux内核内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。
如图：图1系统调用接口：SCI 层提供了某些机制执行从用户空间到内核的函数调用。
这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。
SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。
在 ./linux/kernel 中您可以找到SCI 的实现，并在 ./linux/arch 中找到依赖于体系结构的部分。
1. 内存管理对任何一台计算机而言，其内存以及其它资源都是有限的。
为了让有限的物理内存满足应用程序对内存的大需求量，Linux 采用了称为“虚拟内存”的内存管理方式。
Linux 将内存划分为容易处理的“内存页”（对于大部分体系结构来说都是4KB）。
Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。
不过内存管理要管理的可不止4KB 缓冲区。
Linux 提供了对4KB 缓冲区的抽象，例如slab 分配器。
这种内存管理模式使用4KB 缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。
这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。
为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。
由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。
这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。
内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。
2 .进程管理进程实际是某特定应用程序的一个运行实体。
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6内容
o基本的文件系统体系结构什么是文件系统？文件系统体系结构高层体系结构主要结构有趣的文件系统结束语参考资料评论
为了说明Linux 文件系统层的功能（以及挂装的方法），我们在当前文件系统的一个文件中创建一个文件系统。
实现的方法是，首先用dd命令创建一个指定大小的文件（使用/dev/zero 作为源进行文件复制）——换句话说，一个用零进行初始化的文件，见清单1。
清单 1. 创建一个经过初始化的文件
现在有了一个10MB 的file.img 文件。
使用losetup命令将一个循环设备与这个文件关联起来，让它看起来像一个块设备，而不是文件系统中的常规文件：
这个文件现在作为一个块设备出现（由/dev/loop0 表示）。
然后用mke2fs在这个设备上创建一个文件系统。
这个命令创建一个指定大小的新的ext2 文件系统，见清单2。
清单 2. 用循环设备创建ext2 文件系统
使用mount命令将循环设备（/dev/loop0）所表示的file.img 文件挂装到挂装点
/mnt/point1。
注意，文件系统类型指定为ext2。
挂装之后，就可以将这个挂装点当作一个新的文件系统，比如使用ls命令，见清单3。
清单 3. 创建挂装点并通过循环设备挂装文件系统
如清单4 所示，还可以继续这个过程：在刚才挂装的文件系统中创建一个新文件，将它与一个循环设备关联起来，再在上面创建另一个文件系统。
清单 4. 在循环文件系统中创建一个新的循环文件系统
VFS 是底层文件系统的主要接口。
这个组件导出一组接口，然后将它们抽象到各个文
件系统，各个文件系统的行为可能差异很大。
有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和dentry）。
它们缓存最近使用过的文件系统对象。
每个文件系统实现（比如ext2、JFS 等等）导出一组通用接口，供VFS 使用。
缓冲
区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。
例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。
这就允许在其中缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。
以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。
注意，可以使用sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。
这就是VFS 和文件系统组件的高层情况。
现在，讨论实现这个子系统的主要结构。
主要结构
Linux 以一组通用对象的角度看待所有文件系统。
这些对象是超级块（superblock）、inode、dentry 和文件。
超级块在每个文件系统的根上，超级块描述和维护文件系统的状态。
文件系统中管理的每个对象（文件或目录）在Linux 中表示为一个inode。
inode 包含管理文件系统中的对象所需的所有元数据（包括可以在对象上执行的操作）。
另一组结构称为dentry，它们用来实现名称和inode 之间的映射，有一个目录缓存用来保存最近使用的dentry。
dentry 还维护目录和文件之间的关系，从而支持在文件系统中
移动。
最后，VFS 文件表示一个打开的文件（保存打开的文件的状态，比如写偏移量
等等）。
虚拟文件系统层
VFS 作为文件系统接口的根层。
VFS 记录当前支持的文件系统以及当前挂装的文件系统。
可以使用一组注册函数在Linux 中动态地添加或删除文件系统。
内核保存当前支持的
文件系统的列表，可以通过/proc 文件系统在用户空间中查看这个列表。
这个虚拟文件还显示当前与这些文件系统相关联的设备。
在Linux 中添加新文件系统的方法是调用register_filesystem。
这个函数的参数定义一个文件系统结构
（file_system_type）的引用，这个结构定义文件系统的名称、一组属性和两个超级块函数。
也可以注销文件系统。
在注册新的文件系统时，会把这个文件系统和它的相关信息添加到file_systems 列表
中（见图2 和linux/include/linux/mount.h）。
这个列表定义可以支持的文件系统。
在命令行上输入cat /proc/filesystems，就可以查看这个列表。
图 2. 向内核注册的文件系统
VFS 中维护的另一个结构是挂装的文件系统（见图3）。
这个结构提供当前挂装的文件系统（见linux/include/linux/fs.h）。
它链接下面讨论的超级块结构。
图 3. 挂装的文件系统列表
超级块
超级块结构表示一个文件系统。
它包含管理文件系统所需的信息，包括文件系统名称（比如ext2）、文件系统的大小和状态、块设备的引用和元数据信息（比如空闲列表等等）。
超级块通常存储在存储媒体上，但是如果超级块不存在，也可以实时创建它。
可以
在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超级块结构（见图4）。
图 4. 超级块结构和inode 操作
超级块中的一个重要元素是超级块操作的定义。
这个结构定义一组用来管理这个文件系统中的inode 的函数。
例如，可以用alloc_inode分配inode，用destroy_inode 删除inode。
可以用read_inode和write_inode读写inode，用sync_fs执行文件系统同步。
可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到super_operations结构。
每个文件系统提供自己的inode 方法，这些方法实现操作并向VFS 层提供通用的抽象。
inode 和dentry
inode 表示文件系统中的一个对象，它具有惟一标识符。
各个文件系统提供将文件名映射为惟一inode 标识符和inode 引用的方法。
图 5 显示inode 结构的一部分以及两个相关结构。
请特别注意inode_operations和file_operations。
这些结构表示可以在这个inode 上执行的操作。
inode_operations定义直接在inode 上执行的操作，而file_operations定义与文件和目录相关的方法（标准系统调用）。
图 5. inode 结构和相关联的操作
学习
获得产品和技术
•Filesystem in Userspace（FUSE）是一个支持在用户空间中开发文件系统的内核模块。
文件系统驱动程序实现将来自VFS 的请求发送回用户空间。
这是一种在不借助内核开发的情况下开发文件系统的好方法。
如果您精通Python，也可以通过LUFS-Python用Python 编写文件系统。
•下载IBM 产品评估版，试用来自DB2®、Lotus®、Rational®、Tivoli® 和WebSphere® 的应用程序开发工具和中间件产品。
讨论
•通过新的developerWorks 空间中的blog、论坛、podcast 和社区主题，加入developerWorks 社区。
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真是不错
由XuJia于2012年12月21日发布
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