Jadro systému (Unix)

Roman Lacko `<xlacko1@fi.muni.cz>`

Obsah

Úvod
Linux kernel
Konfigurácia a inštalácia jadra
Spustenie nového jadra
Literatura

Úvod

Čo je jadro?

Jadro (kernel) operačného systému je program, ktorý je zodpovedný najmä za

správu výpočtových zdrojov (pamäť, procesor, ...),
preklad vstupno-výstupných (I/O) požiadaviek.

Operačný systém (OS) typicky okrem kernelu obsahuje aj iné nástroje (napr. prekladač, textový editor, grafické rozhranie).

História

Predkovia kernelov (a OS) sa nazývali rezidentné monitory (angl. "resident monitor"). Monitory sa zavádzali do sálových počítačov po ich spustení a dozerali na spracovanie úloh.

Postupným pridávaním ďalších funkcií, najmä zjednocovaním prístupu k I/O a zdieľaním procesorového času, vznikali prvé jadrá (vtedy ešte označované za operačné systémy). Prvým takýmto systémom bol GM-NAA I/O pre IBM 704 z roku 1956.

V roku 1963 odštartoval projekt ministerstva obrany USA "Project MAC", medzi ktorého výsledky patrí operačný systém Multics. Ten implementoval (okrem iného)

Single-Level Storage,
dynamické linkovanie,
hierarchický súborový systém,
príkazový riadok.

Multics mal silný vplyv na vývoj systému AT&T UNIX v laboratóriách spoločnosti Bell pod vedením D. Ritchieho a K. Thompsona okolo roku 1970. Jeden z rozdielov týchto systémov je vo filozofii; kým Multics bol komplexný a snažil sa robiť "všetko", Unix bol od začiatku navrhovaný v menších rozmeroch. V roku 1972 bol prepísaný do jazyka C.

V októbri [říjnu =)] 1991 vydal Linus Torvalds jadro systému Linux, ktoré je dnes pravdepodobne najpoužívanejšou implementáciou Unixu-podobného jadra.

Rozdelenie jadier

monolitické jadrá (napr. BSD, Linux),
mikrojadrá (μ-jadrá) (napr. MINIX),
hybridné jadrá (NT, XNU).

Linux kernel

Jadro systému Linux (GNU/Linux) je druh monolitického jadra. Ovládače zariadení typicky fungujú v priestore jadra (angl. kernel space), ostatné programy v užívateľskom priestore (angl. user space). Linux taktiež podporuje zásuvné moduly (Kernel Loadable Modules).

Dôležité časti jadra

Správa pamäte (Memory Management)

Jadro musí zabezpečiť, aby proces nezasahoval do pamäte iného procesu. K tomu používa:

virtuálne adresovanie,
stránkovanie na žiadosť,
odloženie a obnovenie stránky zo sekundárneho média.

Medziprocesová komunikácia (Inter-Process Communication)

Aj keď priamy zásah do pamäte iného procesu je zriedka žiadaný, často je potrebné, aby niektoré procesy mohli spolu komunikovať. Na to jadro ponúka tieto prostriedky:

rúry (pomenované alebo anonymné),
zdieľaná pamäť,
semafory a zámky (mutex),
správy.

Správa zariadení (Device Management)

Ovládače tvoria rozhranie medzi jadrom a konkrétnym hardvérom. Presnejšie, úlohou ovládača je preložiť štandardizované systémové volanie na nízkoúrovňové volanie daného ovládača. Keďže ovládač pristupuje k zbernici, beží v režime jadra.

Najdôležitejšie ovládače sú typicky dostupné priamo v jadre, ostatné sa dajú pridať v prípade potreby neskôr ako zásuvné jadrové moduly.

Virtuálny súborový systém (Virtual File System)

Analogicky k ovládačom, VFS tvorí rozhranie medzi jadrom a konkrétnym súborovým systémom. Nové súborové systémy sa tak dajú pridať tak, že sa implementuje rozhranie definované VFS.

Moduly

Linux kernel podporuje zásuvné moduly (Kernel Loadable Modules). Typicky sú to ovládače, ktoré nie sú potrebné v každom okamihu behu systému, ale len keď to vyžaduje napr. nejaký program. Vďaka tomu je možné znížiť veľkosť jadra a zrýchliť štart systému.

Konfigurácia a inštalácia jadra

Aké má výhody ma vlastná konfigurácia?

nahradenie alebo pridanie lepšieho ovládača pre exotický hardvér,
odstránenie nepotrebného kódu,
úprava nastavení konfigurácie na mieru cieľovému systému,
experimenty za účelom lepšieho pochopenia nefungovania jadra.

Aké má nevýhody?

pre bežného používateľa priveľmi náročné a zisk nízky,
následky nesprávnej konfigurácie môžu spôsobiť hypertenziu, halucinácie alebo delírium.

Dostupnosť zdrojových kódov

Čisté (tzv. "vanilla") jadro Linuxu je možné získať na www.kernel.org, distribučné jadrá sa dajú väčšinou získať pomocou balíčkovacieho systému tejto distribúcie. Zdrojové kódy je typicky potrebné pred použitím rozbaliť a spotrebovať do dátumu uvedeného na obale (podpora systému).

Konfigurácia

Pred samotnou konfiguráciou je nutné vedieť, na akom hardvéri pobeží. Konfiguráciu je možné spustiť väčšinou jedným z týchto spôsobov:

Príkaz	Význam
`make config`	interaktívna konfigurácia v textovom režime
`make menuconfig`	konfigurácia v "polografickom" režime (ncurses)
`make xconfig`	konfigurácia v grafickom režime (Qt)
`make gconfig`	konfigurácia v grafickom režime (GTK)

Jednotlivé položky majú voľby YES (zahrnúť) alebo NO (nezahrnúť), pričom niektoré poskytujú možnosť MODULE (zostaviť ako modul).

Preklad a inštalácia

Príkaz	Význam
`make`	zostaví jadro do `/arch/$ARCH/boot/$IMAGE`
`make modules_install`	zostaví moduly do `/lib/modules/`
`make install`	skopíruje jadro a konfiguráciu do `/boot/`

Spustenie jadra

Nové jadro je možné zaviesť po reštarte počítača. Niekedy je ešte potrebné upozorniť zavádzač, že bolo pridané nové jadro.

Jadru môžu byť pred spustením predané parametre zo zavádzača, ktoré modifikujú niektoré jeho vlastnosti a funkcionalitu.