임베디드 스터디 - 리눅스 커널 소스 트리

커널 소스 트리 개요

• 리눅스 커널은 단일 파일이 아닌, 목적에 따라 나뉜 디렉토리 구조로 관리됨
  • 아키텍처 의존 코드와 공통 코드를 분리하여 다양한 플랫폼을 지원함
  • 디바이스 드라이버, 메모리 관리, 파일시스템 등 독립적인 서브시스템으로 구성
• 커널 소스는 Elixir Cross Referencer에서 브라우저로 탐색 가능

linux/
├── arch/        ← CPU 아키텍처별 코드
├── drivers/     ← 디바이스 드라이버
├── fs/          ← 파일시스템
├── mm/          ← 메모리 관리
├── kernel/      ← OS 핵심 기능
├── net/         ← 네트워크 스택
├── include/     ← 공통 헤더 파일
├── init/        ← 커널 초기화 진입점 (start_kernel)
├── lib/         ← 커널 내부 유틸리티 함수
└── ...

디렉토리별 역할

arch/ — CPU 아키텍처별 코드

• 특정 CPU 아키텍처에 종속된 코드를 모두 이 디렉토리 하위에 분리하여 관리
  • CPU 레지스터 배치, 예외 벡터 처리, 부팅 진입점 등이 아키텍처마다 다름
  • 커널 공통 코드는 arch/를 직접 참조하지 않고 추상화된 API를 통해 호출함

arch/
├── arm/         ← ARMv7 (Cortex-A, Cortex-R)
│   ├── boot/    ← 부팅 진입점, zImage 압축 해제
│   ├── kernel/  ← 컨텍스트 스위칭, 예외 처리
│   └── mm/      ← ARM용 MMU/TLB 제어
├── arm64/       ← ARMv8 (AArch64)
├── x86/         ← x86/x86_64
└── mips/        ← MIPS

• 임베디드 분야에서 arch/arm/과 arch/arm64/가 가장 자주 다루게 되는 디렉토리

drivers/ — 디바이스 드라이버

• 하드웨어 주변장치를 제어하는 드라이버를 장치 종류별로 분류하여 관리
  • 아키텍처와 무관한 공통 드라이버 로직이 위치함
  • 아키텍처 종속적인 부분은 arch/로 분리됨

drivers/
├── tty/
│   └── serial/      ← UART 드라이버 (8250, pl011 등)
├── i2c/             ← I2C 버스 드라이버
├── spi/             ← SPI 버스 드라이버
├── net/             ← 이더넷, Wi-Fi NIC 드라이버
├── gpio/            ← GPIO 드라이버
├── dma/             ← DMA 엔진 드라이버
├── mtd/             ← 플래시(NAND/NOR) MTD 드라이버
└── usb/             ← USB 호스트/디바이스 드라이버

fs/ — 파일시스템

• 다양한 파일시스템 구현체와 VFS(Virtual File System) 추상화 레이어를 포함
  • VFS : 파일시스템의 종류에 관계없이 동일한 시스템 콜(open, read, write)을 사용할 수 있게 하는 추상화 레이어

fs/
├── ext4/        ← 리눅스 기본 파일시스템
├── fat/         ← FAT12/FAT16/FAT32 (이동식 저장장치)
├── jffs2/       ← NAND 플래시용 저널링 파일시스템
├── ubifs/       ← UBI 기반 NAND 파일시스템
├── nfs/         ← 네트워크 파일시스템
└── proc/        ← /proc 가상 파일시스템

mm/ — 메모리 관리 (Memory Management)

• OS 레벨에서 물리 메모리·가상 메모리를 관리하는 서브시스템
  • 페이지 테이블, TLB, 페이지 폴트 처리의 소프트웨어 구현이 여기에 위치함

mm/
├── page_alloc.c     ← 버디 시스템 기반 물리 페이지 할당
├── slub.c           ← 슬랩(Slab) 할당자 — kmalloc 구현
├── mmap.c           ← 가상 주소 공간 매핑 (mmap 시스템 콜)
├── memory.c         ← 페이지 폴트 핸들러
└── vmalloc.c        ← 가상 연속 메모리 할당

기능	위치	설명
물리 페이지 할당	mm/page_alloc.c	버디 시스템으로 물리 프레임 관리
소형 객체 할당	mm/slub.c	kmalloc의 내부 구현
페이지 폴트 처리	mm/memory.c	가상→물리 주소 매핑 처리
ARM TLB 제어	arch/arm/mm/	아키텍처 종속 MMU 조작

kernel/ — OS 핵심 기능

• 스케줄러, 프로세스 관리, 시그널, 타이머 등 운영체제의 핵심 메커니즘을 포함

kernel/
├── sched/       ← CFS 스케줄러, 실시간 스케줄러
├── fork.c       ← 프로세스 생성 (fork/clone 시스템 콜)
├── exit.c       ← 프로세스 종료
├── signal.c     ← 시그널 처리 (SIGKILL, SIGTERM 등)
├── time/        ← 커널 타이머, hrtimer
├── irq/         ← 인터럽트 처리 프레임워크
└── power/       ← PM Core (System Sleep / Runtime PM)

net/ — 네트워크 스택

• TCP/IP 프로토콜 스택과 소켓 인터페이스 구현을 포함
  • 소켓 API(socket, bind, connect, send, recv)의 커널 쪽 구현이 여기에 위치

net/
├── socket.c     ← 소켓 시스템 콜 인터페이스
├── ipv4/        ← IPv4, TCP, UDP 구현
├── ipv6/        ← IPv6 구현
└── core/        ← 네트워크 디바이스 프레임워크 (netdev)

include/ — 공통 헤더 파일

• 커널 내부 여러 서브시스템이 공통으로 참조하는 헤더 파일의 저장소
  • 드라이버에서 #include <linux/kernel.h>로 참조하는 파일들이 여기에 위치

include/
├── linux/           ← 커널 내부 공통 헤더
│   ├── kernel.h     ← printk, ARRAY_SIZE 등 기본 매크로
│   ├── module.h     ← 커널 모듈 등록 매크로
│   ├── serial.h     ← UART 드라이버 공통 구조체
│   └── pm.h         ← dev_pm_ops 구조체 정의
├── uapi/linux/      ← 유저스페이스 공개 헤더 (시스템 콜 인터페이스)
└── asm-generic/     ← 아키텍처 공통 어셈블리 헤더

arch/와 drivers/의 분리 원칙

• 동일한 UART 드라이버라도 아키텍처에 따라 달라지는 부분이 존재함
  • 공통 로직 (데이터 송수신, 버퍼 관리) → drivers/tty/serial/
  • 아키텍처 종속 (DMA 처리 방식, 인터럽트 라우팅) → arch/arm/

UART 드라이버 예시

drivers/tty/serial/pl011.c      ← 공통 UART 송수신 로직
arch/arm/mach-xxx/dma.c         ← ARM 전용 DMA 채널 설정
include/linux/amba/serial.h     ← 공통 구조체 정의

• 이 분리 원칙 덕분에 ARM → ARM64 포팅 시 drivers/ 코드는 그대로 재사용하고 arch/만 교체하면 됨

핵심 정리

디렉토리	역할	대표 파일/서브디렉토리
arch/	CPU 아키텍처별 종속 코드	arm/, arm64/, x86/
drivers/	디바이스 드라이버	tty/serial/, i2c/, mtd/
fs/	파일시스템 구현 + VFS	ext4/, ubifs/, nfs/
mm/	메모리 관리	page_alloc.c, slub.c
kernel/	OS 핵심 기능	sched/, signal.c, power/
net/	네트워크 스택	ipv4/, socket.c
include/	공통 헤더	linux/kernel.h, linux/module.h