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Linux 内核深度分解

——以Hello, world 为例

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刘清华

武侠的世界和法式员的世界是相通的，楚留香在对阵无花和尚时，无花和尚用了少林神拳，弹指神通等好几种威名赫赫的武功，而楚留香所用的招式却是江湖中最通常，最平庸的，江湖中也不知有几千几万人能施展这种招式。乔峰在聚贤庄只身战群雄，也是以太祖长拳这种武林中最通常的功夫对敌？杉Ψ蛑挥猩钋，却无高下。

由武侠的江湖转身回到二进造世界。在法式员的圈子，若说最常见、最风杏注所有人城市的法式，莫过于“Hello, world”了。

这个法式最初的版本呈此刻C Bible（The C Programming Language）中

法式很短，内容如下：

图一：Hello, world

通常所有的法式员都是从Hello, world 起头进建编程的，区别在于推算机说话分歧，

打印函数名称分歧。该法式的职能就是挪用打印函数在屏幕打印一行话“Hello, world”。

若是再深刻一点，printf是怎么实现的？为什么在terminal运行这个法式，就会在屏幕上打出Hello, world？我们今天就聊聊若是我们自己写，该怎么做。

首先，我们分析printf函数，尝试着抽丝剥茧。

1. printf先整顿数据体式，最终形成一个蕴含打印数据的数组，并把指针传递到节造台法式。字符串我们依然能够以为是一个数组。这件事重要是通过挪用vsprintf函数来实现。例如参数传入的数字是不是要推算，推算后要转换成对应该实现的字符串。譬如若是是16进造暗示，那么16正本用十进造显示的是2个字符“16”，换成16进造，就要显示4个字符“0x10”，由于今上帝要思考是Hello, world。所以这个部门我们先跳过。

2. 在整顿完应该输出的字符串之后，printf就要挪用console_print函数了，这个是节造台函数，重要就是在屏幕上输出字符串，蕴含换杏注光标移动和定位等。这里console_print嵌入了一段涉及显示的汇编：

这段汇编重要职能就是把一个字符在指定的屏幕地位显示。这个指定的地位涉及到当前光标地点地位。而console_print使用while循环，将整个Hello, world显示出来。

3. 这段汇编为什么能够在屏幕上显示呢？这里就必要相识显示的驱动道理，单一的说，显示一个字符，必要显卡对于屏幕进行驱动，就是显卡通知屏幕该显示啥。但是显卡无从得知该在第几行第几列显示什么字符
；蛘咚迪钥ㄕ媸档墓ぷ鞯览硎墙谠煸诘诩感械诩噶械哪歉鱿袼氐愀貌桓玫懔，若是是是非屏，那么就是0，1的区别，如第6行，第6列这个像素点重点亮，0是熄灭，1是点亮。那么显卡就必要三个参数（行数，列数，灭还是亮（0，1））。若是是彩色屏，再加上RGB的参数。

4. PC的编程，即便是linux系统的boot法式，也已经是相对进行了驱动简化，我们先从简化版起头说起，以上的汇编，其实是奉告了显示参数，具体要显示，还要挪用BIOS中断0x10，职能号ah = 0x13，显示字符串
；al = 搁置光标的方式及属性。当把参数都配置好后，BIOS被挪用

int 0x10

OK, BIOS内嵌的法式把我们传递给它的参数：“Hello, world”在屏幕上显示了。

5. 这是PC的法式，BIOS就是内嵌在主板的通用驱动。如果我们自己设计了主板，使用的CPU是ARM，也没有BIOS法式，必要我们自己写显卡驱动，怎么办？刚才我们已经单一介绍了LCD屏幕的显卡驱动道理，事实上，LCD的数据线就蕴含了杏注列地址线，节造线，数据线等。我们通过CPU的I/O口，输出地址给LCD模组，通知模组行，列别离是几多，输出数据，通知模组显示的是0 or 1（代表熄灭还是点亮）。这个时辰，我们就能够成功节造LCD 的 1个像素点＝谠1个像素点，输出不了Hello，world啊。这里我们还必要字符的点阵库。下面是一个示意图：

图二：字符“A”点阵图

通过这个图，我们能够看到第三行0x10（0b00010000），其实就逐一对应着右侧第三行的LCD显示，一共8个点，每个点用1个bit暗示（0是熄灭，1是点亮）。这里就是A的最高的那个点。左侧的这组数据，就暗示A的16*8体式下的点阵字符。

6. 那么显示Hello，world的第一个字符H，就是先通知LCD模组，我要从第几行第几列起头显示，即显示肇始点，就是图二右侧的LCD的左上角那个点的地位。显示共16行8列，把这一块的LCD的哪些点给点亮，就能得到H了。以此类推，显示全数字符串。

7. 怎么通知LCD模组呢？PC用的是BIOS，自己写驱动，就先写一个输出字符串的函数printk，挪用一个自己写的LCD函数LCD_print，给出字符串“Hello，world”。LCD_print函数就从系统调取此刻的光标地位，得到显示字符的肇始点，而后凭据字符串，转换成ASIC II的编码，而后凭据码表数值，从点阵字库中获取到该字符所对应的点阵数组，有了地位，有了显示内容，逐行驱动，最终就在LCD上获得了“Hello, world”。

以上，概要论述了Hello, world法式的运行过程。涉及到的知识点如下：操作系统 kernel，ASM汇编，C说话， BIOS，CPU架构及中断，LCD驱动，基础硬件设计。往深了说，还有过程切换实现方式，linux的多工作和
；つＪ。内核态和用户态的切换，等等。

若是持续引申，譬如从一个手机发送“hello，world”到另表一台设备的屏幕进行显示。这就涉及到通讯和谈，若是数据是经过运营商网络的互联网数据，那么就会涉及到TCP/IP和谈的解析，TCP数据包的内容里还有私有和谈的解析。通讯链路还蕴含基站注册，心跳监测，长链接的保险，域名解析、IP地址及端标语。若是涉及到后盾云端部署，又涉及到云平台以及云存储。若是是内表网的隔离，那么还涉及到防火墙的成立，以及若何预防IP嗅探和DDOS攻击。若是是超过10万台手机同时发送，那就涉及到大数据及高并发处置，思考若何做负载平衡。若是超过1000万台手机，就涉及到CDN架构。若是手机发送的是一张手写的“Hello, world”的jpg图片，那么又涉及到OCR图像识此外人为智能技术。若是手机的图片必要存储，又涉及到散布式文件系统。若是显示终端不是直连运营商大网，而是和边缘网关短距无线或者有线直连，那么又涉及到边缘推算。

我们如果这么一个场景：手机APP发送一张图片到云端，云平台利用AI？榧鸪鐾计谌菸“Hello，world”，而后在云端别离存储原始图片数据到HDFS，存储字符串到MysqL。并且做好1主2备的Hadoop备份，同时思考服务器节点的主备切换。做完存储后云平台通过运营商网络，将字符串加密后发送到指定边缘网关，边缘网关解析完数据内容后，再经过防火墙，通过有线RS485的私有和谈，发送到指定的终端，最后，终端屏幕闪动着“Hello，world”。这就是尺度的云管边端四层技术架构的物联网了。

所以，我们能够看到Hello, world是一个很值得深刻理解的法式，从月薪5000的应届毕业生，到年薪百万的架构师，我们都能够很愉快的聊一聊这个法式。若是有人对以上内容都很相识并纯熟利用，欢迎来到工程院物联网研发中心，我们这里一堆技术极客等待你的参与。