一、內核簡介
內核：在計算機科學中是一個用來管理軟件發出的數據I/O（輸入與輸出）要求的計算機程序，將這些要求轉譯為數據處理的指令並交由中央處理器（CPU）及計算機中其他電子組件進行處理，是現代操作系統中最基本的部分。它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，並由內核決定一個程序在什么時候對某部分硬件操作多長時間。直接對硬件操作是非常復雜的。所以內核通常提供一種硬件抽象的方法，來完成這些操作。通過進程間通信機制及系統調用，應用進程可間接控制所需的硬件資源（特別是處理器及IO設備）。
圖1：GNU/Linux 操作系統的基本體系結構
最上面是用戶（或應用程序）空間。這是用戶應用程序執行的地方。用戶空間之下是內核空間，Linux 內核正是位於這里。
GNU C Library （glibc）也在這里。它提供了連接內核的系統調用接口，還提供了在用戶空間應用程序和內核之間進行轉換的機制。這點非常重要，因為內核和用戶空間的應用程序使用的是不同的保護地址空間。每個用戶空間的進程都使用自己的虛擬地址空間，而內核則占用單獨的地址空間。
Linux 內核可以進一步划分成 3 層。最上面是系統調用接口，它實現了一些基本的功能，例如 read 和 write。系統調用接口之下是內核代碼，可以更精確地定義為獨立於體系結構的內核代碼。這些代碼是 Linux 所支持的所有處理器體系結構所通用的。在這些代碼之下是依賴於體系結構的代碼，構成了通常稱為 BSP（Board Support Package）的部分。這些代碼用作給定體系結構的處理器和特定於平台的代碼。
二、Linux內核的子系統
圖2：Linux 內核的一個體系結構透視圖
2.1 系統調用接口
SCI 層提供了某些機制執行從用戶空間到內核的函數調用。這個接口依賴於體系結構，甚至在相同的處理器家族內也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數調用多路復用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，並在 ./linux/arch 中找到依賴於體系結構的部分。
2.2 進程管理
進程管理的重點是進程的執行。在內核中，這些進程稱為線程，代表了單獨的處理器虛擬化（線程代碼、數據、堆棧和 CPU 寄存器）。在用戶空間，通常使用進程 這個術語，不過 Linux 實現並沒有區分這兩個概念（進程和線程）。內核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSIX] 函數），停止進程（kill、exit），並在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSIX 機制）。
2.3 內存管理
內核所管理的另外一個重要資源是內存。為了提高效率，如果由硬件管理虛擬內存，內存是按照所謂的內存頁 方式進行管理的（對於大部分體系結構來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。
2.4 虛擬文件系統
虛擬文件系統（VFS）是 Linux 內核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內核所支持的文件系統之間提供了一個交換層。
圖3：VFS 在用戶和文件系統之間提供了一個交換層
在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統抽象，它定義了上層函數的實現方式。它們是給定文件系統（超過 50 個）的插件。文件系統的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。
文件系統層之下是緩沖區緩存，它為文件系統層提供了一個通用函數集（與具體文件系統無關）。這個緩存層通過將數據保留一段時間（或者隨即預先讀取數據以便在需要是就可用）優化了對物理設備的訪問。緩沖區緩存之下是設備驅動程序，它實現了特定物理設備的接口。
2.5 網絡堆棧
網絡堆棧在設計上遵循模擬協議本身的分層體系結構。回想一下，Internet Protocol (IP) 是傳輸協議（通常稱為傳輸控制協議或 TCP）下面的核心網絡層協議。TCP 上面是 socket 層，它是通過 SCI 進行調用的。
socket 層是網絡子系統的標准 API，它為各種網絡協議提供了一個用戶接口。從原始幀訪問到 IP 協議數據單元（PDU），再到 TCP 和 User Datagram Protocol (UDP)，socket 層提供了一種標准化的方法來管理連接，並在各個終點之間移動數據。內核中網絡源代碼可以在 ./linux/net 中找到。
2.6 設備驅動程序
inux 內核中有大量代碼都在設備驅動程序中，它們能夠運轉特定的硬件設備。Linux 源碼樹提供了一個驅動程序子目錄，這個目錄又進一步划分為各種支持設備，例如 Bluetooth、I2C、serial 等。設備驅動程序的代碼可以在 ./linux/drivers 中找到。
三、內核的分類
內核在設計上分為宏內核與微內核兩大架構。
3.1 宏內核
宏內核：是在硬件之上，定義了一個高階的抽象接口，應用原語或系統調用來實現操作系統的功能，例如：進程管理、文件系統和存儲管理等，這些功能由多個運行在內核上的模塊來完成。
盡管每一個模塊都是單獨地服務這些操作，內核代碼是高度集成的，而且難以編寫正確。因為所有的模塊都在同一個內核空間上運行，一個很小的bug都會使整個系統崩潰。然而，如果開發順利，單內核結構就可以從運行效率上得到好處。
很多現代的宏內核結構內核，如Linux和FreeBSD內核，能夠在運行時將模塊調入執行，這就可以使擴充內核的功能變得更簡單，也可以使內核的內核部分變得更簡潔。
圖4：宏內核示意圖
宏內核結構的例子：
傳統Unix內核：BSD、Solaris
類Unix系統（Unix-like）內核：FreeBSD、OpenBSD、NetBSD、Linux
DOS：DR-DOS
3.2 微內核
微內核：是由一個非常簡單的硬件抽象層層和一組比較關鍵的原語或系統調用促成，這些原語，僅僅包括了創建一個系統必需的幾個部分；如線程管理，地址空間和行程間通訊等。
微核的目標是將系統服務的實現和系統的基本操作規則分離開來。例如，進程的輸入/輸出鎖定服務可以由運行在微核之外的一個服務組件來提供。這些非常模塊化的用戶態服務器用於完成操作系統中比較高級的操作，這樣的設計使內核中最內核的部分的設計更簡單。一個服務組件的失效並不會導致整個系統的崩潰，內核需要做的，僅僅是重新啟動這個組件，而不必影響其它的部分
微內核將許多OS服務放入分離的進程，如文件系統，設備驅動程序，而進程通過消息傳遞調用OS服務。微內核結構必然是多線程的，第一代微內核，在內核提供了較多的服務，因此被稱為'胖微內核'，它的典型代表是Mach，它是Mac OS X的內核，可以說，蒸蒸日上。第二代微內核只提供最基本的OS服務，典型的OS是QNX，QNX在黑莓手機BlackBerry 10系統中被采用。
圖5：微內核示意圖
微內核結構的例子：AIX、BeOS、L4微內核系列、Mach（用於XNU、GNU Hurd）、Minix