Рис. 1.1. Взаимодействие между прикладными программами, ядром и аппаратным обеспечением
В функции ядра входит также управление системным аппаратным обеспечением. Практически все платформы, включая те, на которых работает операционная система Linux, используют прерывания (interrupt). Когда аппаратному устройству необходимо как-то взаимодействовать с системой, оно генерирует прерывание, которое прерывает работу ядра в асинхронном режиме[6].
Обычно каждому типу прерываний соответствует номер. Ядро использует номер прерывания для выполнения специального обработчика прерывания (interrupt handler), который обрабатывает прерывание и отправляет на него ответ. Например, при вводе символа с клавиатуры, контроллер клавиатуры генерирует прерывание, чтобы дать знать системе, что в буфере клавиатуры есть новые данные. Ядро определяет номер прерывания, которое пришло в систему и выполняет соответствующий обработчик прерывания. Обработчик прерывания обрабатывает данные, поступившие с клавиатуры, и даст знать контроллеру клавиатуры, что ядро готово для приема новых данных. Для обеспечения синхронизации выполнения ядро обычно может запрещать прерывания: или все прерывания, или только прерывание с определенным номером. Во многих операционных системах обработчики прерываний не выполняются в контексте процессов. Они выполняются в специальном контексте прерывания (interrupt context), который не связан ни с одним процессом. Этот специальный контекст существует то только для того, чтобы дать обработчику прерывания возможность быстро отреагировать на прерывание и закончить работу.
Контексты выполнения заданий полностью определяют всю широту возможных действий ядра. Фактически, можно заключить, что в операционной системе Linux процессор в любой момент времени выполняет один из трех типов действий.
• Работа от имени определенного процесса в режиме ядра в контексте процесса.
• Работа по обработке прерывания в режиме ядра в контексте прерывания, не связанном с процессами.
• Выполнение кода пользовательской программы в режиме задачи.
Ядро Linux в сравнении с классическими ядрами Unix
Благодаря общему происхождению и одинаковому API, современные ядра Unix имеют некоторые общие характерные черты. За небольшими исключениями ядра Unix представляют собой монолитные статические бинарные файлы. Это значит, что они существуют в виде больших исполняемых образов, которые выполняются один раз и используют одну копию адресного пространства. Для работы операционной системы Unix обычно требуется система с контроллером управления страничной адресацией памяти (memory management unit); это аппаратное обеспечение позволяет обеспечить защиту памяти в системе и предоставить каждому процессу уникальное виртуальное адресное пространство. В списке литературы приведены мои любимые книги по устройству классических ядер операционной системы Unix.
Операционные системы, в соответствии с особенностями построения, можно разделить на две большие группы: с монолитным ядром и с микроядром. (Есть еще третий тип — экзоядро, которое пока еще используется, в основном, только в исследовательских операционных системах, но уже начинает пробивать дорогу в большой мир.)
Монолитное ядро является самым простым, и до 1980-х годов все ядра строились именно таким образом. Монолитное ядро реализовано в виде одного большого процесса, который выполняется в одном адресном пространстве, Такие ядра обычно хранятся на диске в виде одного большого статического бинарного файла. Все службы ядра существуют и выполняются в одном большом адресном пространстве ядра. Взаимодействия в ядре выполняются очень просто, потому что все, что выполняется в режиме ядра, — выполняется в одном адресном пространстве. Ядро может вызывать функции непосредственно, как это делает пользовательское приложение. Сторонники такой модели обычно указывают на простоту и высокую производительность монолитных ядер.
Микроядра не реализуются в виде одного большого процесса. Все функции ядра разделяются на несколько процессов, которые обычно называют серверами. В идеале, в привилегированном режиме работают только те серверы, которым абсолютно необходим привилегированный режим. Остальные серверы работают в пространстве пользователя. Все серверы, тем не менее, поддерживаются независимыми друг от друга и выполняются каждый в своем адресном пространстве. Следовательно, прямой вызов функций, как в случае монолитного ядра, невозможен. Все взаимодействия внутри микроядра выполняются с помощью передачи сообщений. Механизм межпроцессного взаимодействия (Inter Process Communication, IPC) встраивается в систему, и различные серверы взаимодействуют между собой и обращаются к "службам" друг друга путем отправки сообщений через механизм IPC. Разделение серверов позволяет предотвратить возможность выхода из строя одного сервера при выходе из строя другого.
Кроме того, модульность системы позволяет одному серверу вытеснять из памяти другого. Поскольку механизм IPC требует больше накладных расходов, чем обычный вызов функции, и при этом может потребоваться переключение контекста из пространства пользователя в пространство ядра и наоборот, то передача сообщений приводит к падению производительности по сравнению с монолитными ядрами, в которых используются обычные вызовы функций.
В современных операционных системах с микроядром, большинство серверов выполняется в пространстве ядра, чтобы избавиться от накладных расходов, связанных с переключением контекста, кроме того, это дает потенциальную возможность прямого вызова функций. Ядро операционной системы Windows NT, а также ядро Mach (на котором базируется часть операционной системы Mac OS X) — это примеры микроядер. В последних версиях как Windows NT, так и Mac OS X все серверы выполняются только в пространстве ядра, что является отходом от первоначальной концепции микроядра.
Ядро ОС Linux монолитное, т.е. оно выполняется в одном адресном пространстве, в режиме ядра. Тем не менее ядро Linux позаимствовало некоторые хорошие свойства микроядерной модели: в нем используется преемптивное ядро, поддерживаются потоки пространства ядра и возможность динамической загрузки в ядро внешних бинарных файлов (модулей ядра). Ядро Linux не использует никаких функций микроядерной модели, которые приводят к снижению производительности: все выполняется в режиме ядра с непосредственным вызовом функций, вместо передачи сообщений. Следовательно, операционная система Linux — модульная, многопоточная, а выполнение самого ядра можно планировать.
Прагматизм снова победил.
По мере того как Линус и другие разработчики вносили свой вклад в ядро Linux, они принимали решения о том, как развивать ОС Linux без пренебрежения корнями, связанными с Unix (и, что более важно, без пренебрежения API ОС Unix). Поскольку операционная система Linux не базируется на какой-либо версии ОС Unix, Линус и компания имели возможность найти и выбрать наилучшее решение для любой проблемы и даже со временем изобрести новые решения! Ниже приводится анализ характеристик ядра Linux, которые отличают его от других разновидностей Unix.
6
Иными словами, заранее неизвестно, в какой момент времени это событие произойдет и в каком состоянии будет система в этот момент времени. —