Tìm hiểu về 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):
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tìm hiểu về nhân của hệ điều hành LinuxTìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux ChiaCập nhật lúc 02h44 ngày 28/09/2010 Bản in sẻNhân (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 chươngtrình chạy cùng một lúc. Làm sao chúng làm được như vậy? Bằng cách chuyển quyền thực thi qua lạigiữa 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 xongchuyển 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 ngắt1Ch (hook interrupt) để giả lập đa nhiệm. Interrupt 1Ch thực chất được Timer IRQ (6 hay 8 gì quên mấtrồi) gọi. Timer IRQ là một ngắt cứng tức là tín hiệu do bộ phát xung gởi tới CPU. Mặc định là 1/13 giây 1lần bộ phát xung này gởi 1 tín hiệu IRQ đến CPU. Khi đó CPU sẽ ngưng lệnh đang thi hành chuyển quaxử lý ngắt. Timer IRQ sau đó sẽ gọi ngắt 1Ch. Nếu bạn viết 1 chương trình con hook int 1Ch, thì bạn sẽcó cảm tưởng nó chạy song song với chương trình chính (thật ra 1/13s nó mới chạy 1 lần). Ứng dụng cáinày tôi có viết một chương trình chạy banner trong màn hình DOS, hay chương trình ping pong gồm 1 haynhiều 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 thìkhông đủ nhanh để switch qua nhiều tiến trình nhưng xài hàm của BIOS ta có thể tăng tốc cho SCHED1/100s 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 đượctới FFFFF, mà vùng nhớ cao (High memory từ A0000 trở lên) dùng để ánh xạ (map) BIOS, Video cardmemory và các thiết bị ngoại vi khác, vùng nhớ còn xài được (Low memory) là từ 9FFFF trở xuống. Dùngcalculator đổi 9FFFF ra decimal bạn sẽ có đúng 640K :)). Chắc bạn ngạc nhiên hỏi rằng cây RAM 512Mmua 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 nàymỗi process được cấp cho 4G virtual memory từ 00000000-FFFFFFFF. Nhưng kernel sẽ giữ 1 table mô tảánh xạ từng page của virtual memory với physical memory. Physical memory bây giờ bao gồm cả RAM vàswap disk space. Tất nhiên là 4G virtual memory không bao giờ được ánh xạ đầy đủ (ánh xạ hết lấy gìcho mấy process khác chạy). Phần lớn mặc dù có đánh địa chỉ , nhưng chỉ khi bạn đọc hoặc ghi lên đóthì 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 bịngoại vi. Nếu như Triump tất cả là thời trang thì ta có thể nói ở Linux tất cả là file. Ý tưởng này bắt nguồntừ Unix và các hệ điều hành sau này điều thiết lập theo hướng đấy. Đừng quên là trong DOS bạn dùngcopy 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 cùngnhau tìm hiểu sau.Các cấu trúc dữ liệu hệ thống.Hệ điều hành Linux hoạt động nhờ vào các dữ liệu này1. 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 sáchliên kết gọi là danh sách tác vụ. SCHED còn có 1 con trỏ current để chỉ tác vụ nào đang active. Theo tôinghĩ thì các dữ liệu này phải có các giá trị của các thanh ghi của process đó ngay lúc nó bị switch. Khimột 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 còncác thông tin để chỉ cách lấy và thay cho từng trang cụ thể. Tất cả các thông tin này chứa trong memorymap và memory map được chứa trong trong task list.3. I-nodesVFS dùng i-nodes để định vị các file. Cấu trúc dữ liệu i-nodes dùng để ánh xạ các file block thành các địachỉ vật lý ở trường hợp đĩa cứng và đĩa mềm là các sector, ...