Tìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux

Tìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux Nhân (kernel) của Linux gồm 5 tiểu hệ thống chính: 1. Bộ phân thời cho tiến trình (Process Scheduler-SCHED): Như bạn biết về cơ bản PC vẫn là một hệ thống xử lý đơn tức là chỉ có 1 lệnh thực thi tại một thời điểm. Tuy nhiên các hệ điều hành đa nhiệm(multitask) như Windows, Linux v.v đều cho phép nhiều chương trình chạy cùng một lúc. Làm sao chúng làm được như vậy? Bằng cách chuyển quyền thực thi qua lại giữa các chương trình thật nhanh làm cho chúng ta...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux Tìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux Nhân (kernel) của Linux gồm 5 tiểu hệ thống chính: 1. Bộ phân thời cho tiến trình (Process Scheduler-SCHED): Như bạn biết về cơ bản PC vẫn là một hệ thống xử lý đơn tức là chỉ có 1 lệnh thực thi tại một thời điểm. Tuy nhiên các hệ điều hành đa nhiệm(multi- task) như Windows, Linux v.v đều cho phép nhiều chương trình chạy cùng một lúc. Làm sao chúng làm được như vậy? Bằng cách chuyển quyền thực thi qua lại giữa các chương trình thật nhanh làm cho chúng ta có cảm giác các chương trình chạy cùng lúc với nhau. Ví dụ bạn vừa đánh Winword vừa chơi Winamp thì thật ra SCHED sẽ chạy Winword 5,10 lệnh xong chuyển qua Winamp 5,10 lệnh rồi chuyển lại v.v Việc này cực kì nhanh nên bạn không có cảm giác gì. Hệ điều hành MSDOS ngày xưa thật sự là hệ điều hành đơn nhiệm, tuy nhiên bạn vẫn có thể bẩy ngắt 1Ch (hook interrupt) để giả lập đa nhiệm. Interrupt 1Ch thực chất được Timer IRQ (6 hay 8 gì quên mất rồi) gọi. Timer IRQ là một ngắt cứng tức là tín hiệu do bộ phát xung gởi tới CPU. Mặc định là 1/13 giây 1 lần bộ phát xung này gởi 1 tín hiệu IRQ đến CPU. Khi đó CPU sẽ ngưng lệnh đang thi hành chuyển qua xử lý ngắt. Timer IRQ sau đó sẽ gọi ngắt 1Ch. Nếu bạn viết 1 chương trình con hook int 1Ch, thì bạn sẽ có cảm tưởng nó chạy song song với chương trình chính (thật ra 1/13s nó mới chạy 1 lần). Ứng dụng cái này tôi có viết một chương trình chạy banner trong màn hình DOS, hay chương trình ping pong gồm 1 hay nhiều trái tim chạy va đập vào các cạnh của màn hình, trong khi vẫn chạy DOS. Các hệ điều hành đa nhiệm sau này đều xử dụng nguyên tắc này để làm SCHED. Tuy nhiên 1/13s thì không đủ nhanh để switch qua nhiều tiến trình nhưng xài hàm của BIOS ta có thể tăng tốc cho SCHED 1/100s 1 lần chẳng hạn. 2. Bộ quản lý bộ nhớ (Memory Manager-MM): Bộ nhớ qui ước (conventional memory) của PC chỉ có 640K thôi. Do chương trình BIOS chỉ quản lý được tới FFFFF, mà vùng nhớ cao (High memory từ A0000 trở lên) dùng để ánh xạ (map) BIOS, Video card memory và các thiết bị ngoại vi khác, vùng nhớ còn xài được (Low memory) là từ 9FFFF trở xuống. Dùng calculator đổi 9FFFF ra decimal bạn sẽ có đúng 640K :)). Chắc bạn ngạc nhiên hỏi rằng cây RAM 512M mua hết $70 của tôi biến đâu mất rồi??? Hihihi nó bây giờ teo lại còn có 1 page 64K trong vùng nhớ cao. Tuy nhiên bạn có thể thay đổi ánh xạ để truy xuất hết 512M. RAM card màn hình cũng tương tự như vậy. Ở chế độ bảo vệ (protect mode) của CPU 32bít đưa ra khái niệm virtual memory (bộ nhớ ảo). Lúc này mỗi process được cấp cho 4G virtual memory từ 00000000-FFFFFFFF. Nhưng kernel sẽ giữ 1 table mô tả ánh xạ từng page của virtual memory với physical memory. Physical memory bây giờ bao gồm cả RAM và swap disk space. Tất nhiên là 4G virtual memory không bao giờ được ánh xạ đầy đủ (ánh xạ hết lấy gì cho mấy process khác chạy). Phần lớn mặc dù có đánh địa chỉ , nhưng chỉ khi bạn đọc hoặc ghi lên đó thì kernel mới allocate từ physical memory. 3. Hệ thống file ảo (Virtual File System – VFS) Hệ thống này không chỉ cung cấp truy xuất đến hệ thống file trên harddisk mà còn cho tất cả các thiết bị ngoại vi. Nếu như Triump tất cả là thời trang thì ta có thể nói ở Linux tất cả là file. Ý tưởng này bắt nguồn từ Unix và các hệ điều hành sau này điều thiết lập theo hướng đấy. Đừng quên là trong DOS bạn dùng copy xxx con để in file xxx ra màn hình. Khi đó “con “ là filehandler cho thiết bị xuất chuẩn (console). 4. Giao diện mạng (Network Interface-NET). Linux dựng sẵn TCP/IP trong kernel. Do DOS không có cái này nên tác giả chưa hiểu rõ lắm. 5. Bộ truyền thông nội bộ (Inter-process communication IPC) Cung cấp các phương tiện truyền thông giữa các tiến trình trong cùng hệ thống Linux. Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sau. Các cấu trúc dữ liệu hệ thống. Hệ điều hành Linux hoạt động nhờ vào các dữ liệu này 1. Task list (Danh sách tác vụ) SCHED lưu 1 bộ dữ liệu cho mỗi tiến trình đang hoạt động. Các bộ dữ liệu này làm thành 1 danh sách liên kết gọi là danh sách tác vụ. SCHED còn có 1 con trỏ current để chỉ tác vụ nào đang active. Theo tôi nghĩ thì các dữ liệu này phải có các giá trị của các thanh ghi của process đó ngay lúc nó bị switch. Khi một tiến trình được active trở phải SCHED sẽ khôi phục các giá trị này. 2. Memory map(Ánh xạ bộ nhớ) Như giải thích ở trên MM cần 1 ánh xạ từ bộ nhớ vật lý cho bộ nhớ ảo 4G của mỗi tiến trình. Ngoài ra còn các thông tin để chỉ cách lấy và thay cho từng trang cụ thể. Tất cả các thông tin này chứa trong memory map và memory map được chứa trong trong task list. 3. I-nodes VFS dùng i-nodes để định vị các file. Cấu trúc dữ liệu i-nodes dùng để ánh xạ các file block thành các địa chỉ vật lý ở trường hợp đĩa cứng và đĩa mềm là các sector, cyclinder và head. 4. Data connection Mô tả network connection đang mở Tất cả các cấu trúc dữ liệu này đều bắt nguồn từ task list. Mỗi 1 process có một con trỏ chỉ tới cấu trúc memory map, 1 con trỏ chỉ tới danh sách các i- node của các file đang mở cho riêng process đó, và 1 con trỏ chỉ tới danh sách các data connection cho tất cả các network connection đang mở. ************************** Cấu trúc của SCHED Bây giờ ai cũng biết đây là bộ phận trung tâm của hệ điều hành. Nó chịu trách nhiệm chia sẽ thời gian xử dụng CPU cho tất cả các process , process bình thường cũng như các tiểu hệ thống. SCHED được chia thành 4 module 1. Module luật định thời (scheduling policy): chịu trách nhiệm phân xử xem process nào được quyền truy xuất CPU. Hệ thống hoạt động có thông suốt hay không nhờ vào bộ luật này, tránh trường hợp 1 process lợi dụng sơ hở của điều luật mà chiếm thời gian hệ thống qua nhiều làm các process khác bị đóng băng (freeze) 2. Module phụ thuộc kiến trúc (architeture-specific): module này gồm các code assembly phụ thuộc vào mỗi loại CPU dùng để suspend hay assume process. 3. Module độc lập kiến trúc (architeture-independent): module gọi các hàm từ module phụ thuộc kiến trúc và module luật để switc ...