Jádro operačního systému Linux

Obsah

• Něco málo z historie
• Architektůra jádra Linux
• Kde získat
• Jak konfigurovat a kompilovat
• Záhadný soubor System.map
• Ůloha zavaděče
• Literatura

Něco málo z historie

Autor jádra linuxu, Linus Torvalds, se setkal s Unixovým prstředím poprvé na univerzitě. Zjistil že toto prostředí mu tak vyhovuje, že by jej chtěl mít i doma, na svém domácím PC. Opravdový Unix si nemohl dovolit a opensource varianta Minix (v uvozovkách protože Minix bylo nutné zakoupit, na médiu jste však měli i zdrojové kódy) mu přišla příliš omezená.

(Proč si Linus v té době nemohl zakoupit unix popřípadě si stáhnout zdrojové kódy jak je to běžné dnes, to už je trošku jiná pohádka. Doporučuji knihu: Umění programováni v Unixu (The Art Of UNIX Programming) od Eric S. Raimond. Popřípadě google a heslo: unix wars)

Původně jsem to vlastně ani neplánoval operační systém Linux vznikl na základě jiného projektu , kdy jsem testoval vlastnosti procesoru 386.

Tento systém navrhl tak, aby byl blízký systému UNIX (a to jak System V od AT&T tak i BSD z kalifornské univerzity v Berkeley).

Pozn.: zde se pozná jedna z výhod existence norem a jejich dodržování (nevyznamější jsou POSIX - Portable Operating system Interface Unix a SUS - Single Unix Specification).
Příběh ze života
V roce 1998 upravila firma Oracle svůj špičkový databázový produkt rovněž pro systém Linux. Byl to krok, jenž znamenal zásadní průlom ve způsobu vnímání tohoto systému u široké veřejnosti. Inženýr odpovědný za zmiňovanou úpravu při dotazu na techni­cké překážky, které bylo třeba při úpravách překonat, nabídl rozhodující důkaz, že standardy pro rozhraní API splnily účel. Inženýrova odpověď zněla takto: Zadali jsme příkaz make.­

Stručná historie

• 0.01 (září 1991, 10 239 řádků kódu) - první funkční verze Linuxu
  Citát:
  

      /*
       * Yeah, yeah, it's ugly, but I cannot find how to do this correctly
       * and this seems to work. I anybody has more info on the real-time
       * clock I'd be interested. Most of this was trial and error, and some
       * bios-listing reading. Urghh.
       */ 

• 0.01 (prosinec 1991) - první verze, na které lze jádro zkompilovat (dosud muselo být kompilováno na jiných systémech),
• 0.95 (březen 1992) - první verze, na které jde spustit X Window System,
• 1.0.0 (14.3.1994, 176 250 řádků kódu) - začátek trojčíselného značení jader,
• 1.2.0 (7.3.1995, 310 950 řádků kódu) - první jádro s podporou modulů,
• 2.0.0 (9.6.1996, 777 956 řádků kódu) - první jádro se SMP, podpora dalších procesorů,
• 2.2.0 (25.1.1999,1800847 řádků kódu) - zásadní rozšíření podpory HVV, multimediální technologie (Video4Linux apod.),
• 2.4.0 (4.1.2001, 3 377902 řádků kódu) - mnoho nových technologií (USB, PCMCIA, LVM atd.),
• 2.6.0 (17.12.2003, 5 929 913 řádků kódu) - nový plánovač, možnost preemptivního chování, nativní vlákna (NPTL), zvukový systém ALSA, značné rozšíření podpory HW

Vyčerpávající historie nejen Unixu: http://www.levenez.com/

Architektůra jádra Linux

Linuxové jádro je považováno za monolitické. Díky své modularitě a některým prvkům micro kernelu (např. kernel threads) ho lze nazvat i hybridním.

Interně je jádro rozděleno do subsystémů.
Například: diskový, síťový, ...

Kde získat:

Centrem dění: http://kernel.org/
Umístěny jsou zde: git repozitáře, historické verze, věci úzce spojené z jádrem

Co stáhnout aneb číslování verzí

Dnešní číslování je čtyřsložkové:

1. major verze: Změna tohoto čísla znamená naprosto zásadní změnu architektury a dalších věcí. V současné době používáme číslo 2.
2. minor verze: Toto číslo se mění častěji, při podstatné změně jádra. Dříve to vypadalo tak, že lichá čísla znamenala verze vývojové verze a sudá čísla verze stabilní. Tak například 2.0.35 byla stabilní verze, kdežto 2.1.42 vývojová. Od minor verze 6 (tedy od verzí 2.6.x) to bylo opuštěno a všechny základní verze se považují za stabilní.
3. podverze: Změna tohoto čísla znamená změnu ve funkcionalitě, tedy že nějaká funkce přibude, zmizí nebo změní své ...iastnosti Například mezi verzemi 2.6.15 a 2.6.16 byty přidány technologie TIPC nebo OCFS2.
4. opravná verze (též stabilní verze): První jádro určité podverze se vydává bez tohoto přídavného čísla. Jádra s opravami chyb (beze změny funkcionality) se rozlišují tímto číslem. Tedy např. 2.6.17.1 opravuje chyby z jádra 2.6.17, verze 2.6.16.4 opravuje chvbv 2.6.16.3.

Konvencí je, jádro rozbalit do adresáře /usr/src/linux. Pro testování více verzí jádra je možné vytvořit symbolický link: /usr/src/linux == /usr/src/linux-2.6.26.2.

Příprava na kompilaci

Ještě před samotnou kompilací je vhodné si zjístit HW konfiguraci stroje.

Triky z praxe:

• Použít live-distribuci:
  • Podívat se na výpis zpráv jádra (dmesg, popř.: /var/log/dmesg)
  • Podívat se na zavedené moduly (lsmod)
  • Utility:
    • lspci výpis PCI/AGP zařízení asi nejdůležitější zdroj informací
    • lsusb výpis připojených USB zařízení
    • lshw user-friendly výpis zařízení
  • Informace poskytované běžícím systémem:
    • /proc/cpuinfo informace o procesoru/procesorech/jádrech
    • /sys/devices/system/cpu/cpu?/topology/* - informace o topologii zapojení procesorů (lze zjístit zda-li systém například NUMA)
• Přecházíme z Windows na linux:
  • (Start-Nastavení-Ovládací panely-Systém-Hardware-Správce zařízení)
• Ostatní:
  • Vyhledávače
  • Konference
  • Weby zaměřené na daný HW/subsystém (http://www.bluez.org/, ...)
  • Manuál/specifikace výrobce HW (převážně servery)

Jak konfigurovat a kompilovat

Za každého počasí make help je váš kamarád.

Konfigurace:

• config - command line interface, velice strohé, nepřehledné
• menuconfig - ncurses interface, "přehledné", vyčítána přílišná klikavost
• make xconfig - QT interface, velmi klikavé
• make gconfig GTK, platí to samé pro GTK
• make oldconfig - CLI, nepřehledné
• přímá editace souboru config - podobné jako u make config, nepohodlné, jen pro drobné zásahy

Pozn.: například FreeBSD takovéto konfigurátory nemá. Celé jádro lze nakonfigurovat z pohodlí svého oblíbeného editoru.

Samotná kompilace se pak běžné provádí příkazem (u 2.6 jader): make && make modules_install
Samotný příkaz make se postará o kompilaci jádra a přikaz make modules_install o instalaci popřípadě kompilaci a instalaci modulů.

Zkompilované jádro lze najít: /usr/src/linux/arch/x86/bzImage

Trento soubor je vhodné nakopírovat do adresáře /boot pod výstižným názvem. Např.: kernel-2.6.26.5-grsecurity

Nainstalované moduly lze pak najít v adresáři /lib/modules/$(uname -r)/

Záhadný soubor System.map

Jédná se o mrtvou tabulku všech symbolů jádra. Tato tabulka umožňuje převod adresy na symbolické jméno a opačně. Velmi užitečné pro ladění jádra nebo dekóvaní tzv. Kernel OOPS.

Úloha zavaděče

Jádro máme tedy nakonfigurováno a zkompilováno... co dál?

Zde přichází na řadu tzv. bootloader. Jedná se o někdy jednoduchý a někdy velmi komplexní program.

Dnes je ve světě Linuxu asi nejpoužívanější zavaděč GRUB. Jeho slavným předchůdcem je bootloader LILO (Linux Loader - mate názvem, lze přez něj zavádět i jiné OS).

Jedny z úloh bootloaderu (GRUB):

• Načíst jádro a initrd obraz do paměti
• Předat jádru parametry a adresu místa kde je rozbalen initrd
• Předat řízení jádru

Alternativně může bootloader předat řízení jinému bootloaderu.

Literatura

• Archív referátů
• Principy operacniho systému UNIX - Maurice J. Bach
• Umění programování v Unixu - Eric S. Raymond
• Jádro systému Linux - Lukáš Jelínek
• Linux - Praktický průvodce - Mark G.Sobell
• SystemTap
• System.map - From Wikipedia, the free encyclopedia