Jądro systemu
Linux

Wprowadzenie



System operacyjny jest ważną częścią prawie każdego systemu

komputerowego.



System komputerowy można podzielić na cztery części

składowe: sprzęt, system operacyjny, programy użytkowy i

użytkowników.



Sprzęt (procesor, czyli jednostka centralna, pamięć i urządzenia

wejście - wyjście) stanowi podstawowe zasoby systemu

komputerowego.



Programy użytkowe (kompilatory, systemy baz danych,...)

określają sposoby użycia tych zasobów do rozwiązania zadań

stawianych przez użytkowników.



System operacyjny jest programem, który działa jako pośrednik

miedzy użytkownikiem komputera a sprzętem komputerowym.



System operacyjny nadzoruje i koordynuje posługiwanie się

sprzętem przez różne programy użytkowe ,które pracują na

zlecenie różnych użytkowników.



System operacyjny wykonuje różne operacje podstawowe w

imieniu procesów użytkownika.

Czym jest jądro systemu?



Jądro systemu operacyjnego stanowi jego podstawę.



Znajdują się tam główne sterowniki i programy odpowiadające

za działanie systemu.



Każdy system komputerowy posiada zbiór programów, który

nazywany jest systemem operacyjnym. Najważniejszym z tych

programów jest jądro (kernel).



Jądro jest ładowane do pamięci RAM w czasie uruchamiania

systemu, zawiera ono wiele niezbędnych dla systemu procedur.



Kształt i możliwości komputera opierają się na jego jądrze.



Często słowa "system operacyjny" używa się w odniesieniu do

jądra systemu.



Jądro współdziała ze sprzętem poprzez programy niskiego

poziomu.



Dostarcza też środowisko dla aplikacji działających w systemie.



Kiedy program chce wykorzystać zasoby sprzętowe, musi

wystosować odpowiednie zapytanie.



Jądro rozważa to zapytanie i wybiera czy, jak i kiedy użyczyć

programowi potrzebnych mu zasobów.

Budowa jądra



Wyróżniamy kilka podstawowych

metod konstrukcji jąder:



jądro monolityczne



mikrojądro



nanokernel.



exokernel



cachekernel



jądro hybrydowe

Jądro monolityczne



Często stosowane w systemach typu Unix.



Wszystkie zadania są wykonywane przez jądro, będące jednym, dużym

programem działającym w trybie jądra.



Przykładami takiego jądra mogą być: Linux, OpenBSD, FreeBSD, chociaż

większość posiada umiejętność dołączania i odłączania modułów (najczęściej

zawierających kod sterownika urządzenia lub obsługi potrzebnego w danej

chwili systemu plików).



Zaletą tej techniki jest prostota, stabilność, łatwość komunikacji pomiędzy

różnymi członami jądra (to przecież w tym wypadku jeden program!).



Wadą jest, w późniejszym stadium rozwoju projektu, uciążliwość w rozwijaniu

programu oraz w znajdywaniu błędów.

Mikrojądro



Rodzaj jądra systemu operacyjnego, które zawiera tylko

najbardziej niezbędne elementy, takie jak funkcje zarządzania

wątkami, komunikacją międzyprocesową, oraz obsługą

przerwań i wyjątków.



Wszelkie inne zadania, takie jak np. obsługa systemów plików,

sieci, sprzętu realizowane są w przestrzeni użytkownika przez

osobne serwery.



Dobrymi przykładami systemów operacyjnych opartych na

mikrojądrze są Amoeba, QNX, BeOS , Haiku czy Hurd,

mikrojądrami są także (używane w Hurdzie) Mach i L4.



Firma Microsoft pracuje nad własnym rozwiązaniem tego typu w

projekcie Singularity.

Jądro hybrydowe



Jest jądrem opartym o zmodyfikowane architektury jądra monolitycznego oraz

mikrojądra używanych w systemach operacyjnych.



Ten rodzaj jądra budzi kontrowersję w porównaniu do podobnego jądra monolitycznego,

pojęcie to, przez niektórych specjalistów zostało odebrane jako marketing.



Najczęściej akceptowalnymi rodzajami jąder są: jądro monolityczne oraz mikrojądro

(włącznie z nanojądrem i pikojądrem które są jego mniejszymi wersjami).



Pomysł stojący za tym nowym pseudo-rodzajem jądra jest struktura podobna do

mikrojądra, ale zaimplementowana jak jądro monolityczne.



W przeciwieństwie do mikrojądra, wszystkie (lub prawie wszystkie) usługi wykonywane

są w przestrzeni jądra.



Podobnie jak w jądrze monolitycznym, nie ma strat w wydajności wywołanych

przepływem komunikatów mikrojądra i przełączaniem kontekstu między przestrzenią

użytkownika a jądra.



Jednakże, podobnie jak w jądrach monolitycznych, nie ma korzyści wynikających z

umieszczenia usług w przestrzeni użytkownika.

Inne rodzaje jąder systemu



Nanokernel:



Technika zbliżona do techniki mikrojądra, różnica w wielkości -

nanokernel jest jeszcze mniejszy.



Exokernel:



Architektura będąca odmianą nanojądra.



Cechą wyróżniającą jest możliwość zarządzania zasobami systemu

przez nieuprzywilejowanego użytkownika, a rola jądra sprowadza

się do zabezpieczania zasobów.



Przykładem systemu korzystającego z tego typu jądra jest system

XOK, zbudowany w MIT Laboratory for Computer Science,

pracujący na komputerach PC. Wyposażony on został w bibliotekę

ExOS, która implementuje system UNIX i umożliwia uruchamianie

większości aplikacji tego systemu.



Cachekernel:



W tej technice jądro systemu buforuje obiekty systemowe takie jak

wątki czy przestrzenie adresowe tak jak sprzęt komputerowy

buforuje pamięć.



Jądra aplikacji trybu użytkownika są odpowiedzialne za ładowanie

tych danych i ponowne ich zapisanie stosując specyficzne dla

danej aplikacji mechanizmy.

Jądro Linuxa



To najważniejsza, wolna część uniksopodobnego

systemu operacyjnego Linux napisana przez

Linusa Torvaldsa w 1991 roku, a obecnie

rozwijana przez licznych programistów z całego

świata.



Początkowo działało na platformie Intel 80386,

lecz później zostało przeniesione na wiele innych

platform. Największa część kodu napisana jest w

języku C, z pewnymi rozszerzeniami GCC a

pozostała część to wstawki w asemblerze.



Kod jądra Linuksa jest objęty licencją GNU

General Public License, jest zatem

oprogramowaniem FLOSS.

Rodzaje wersji jądra



Istnieją dwa rodzaje dostępnych wersji jądra:



stabilna (stable)



rozwojowa (development).



Stabilna przeznaczone jest dla ludzi ceniących sobie

niezawodność i stabilność systemu jak również jego

bezproblemową obsługę.



Natomiast wersje rozwojowe (developerskie) przeznaczone są

dla ludzi zajmujących się rozwojem jądra, zawierają one często

wiele nowych sterowników dla najnowszych urządzeń i wiele

funkcji eksperymentalnych, które mogą zniknąć w następnym

jądrze. Jądra te mogą także być niestabilne i powodować liczne

problemy.



Pierwsza liczba oznaczenia jądra przedstawia numer wersji,

następna czy jądro jest stabilne (liczba parzysta) czy rozwojowe

(liczba nieparzysta), ostatnia liczba określa natomiast numer

wydania.



Wynika z tego, że wersje stabilne to np. 2.2.40, 2.4.27, 2.6.9.

Jądrami deweloperskimi będą np. 2.3.24, 2.5.75 i w przyszłości

2.7.1.

Różnice pomiędzy jądrami
Linuxa w wersji 2.4 a 2.6

Funkcja

2.4.X

2.6.X

Maksymalna liczba

obsługiwanych procesorów

16

255, NUMA (Non-Uniform Memory

Access)

Maksymalny rozmiar RAM-u

16 GB

64 GB

Maksymalny rozmiar

systemu plików

2 TB

16 TB

Obsługiwane systemy plików

(odczyt i zapis)

Ext2, Ext3, ReiserFS,

JFS, HPFS, FFS,

HFS+, MS DOS, FAT,

VFAT, ISO9660

Ext2, Ext3, ReiserFS, Reiser4, JFS,

HPFS, FFS, HFS, HFS+, MS DOS,

FAT, VFAT, ISO9660, NTFS, XFS

Sieciowe systemy plików

NFSv3, SMB, NCP,

InterMezzo, Coda

NFSv4, SMB, NCP, Intermezzo,

Coda, AFS, CIFS

Rodzaje wątków

LinuxThreads

NPTL (wątki POSIX)

Obsługiwany format dźwięku OSS

ALSA

Obsługa Hyper-threading

Nie

Tak

Liczba możliwych urządzeń

255

4095

Co to są moduły?



Są to części jądra, które nie są zawarte bezpośrednio w nim.



Kompiluje się je osobno i można je umieścić a następnie usunąć z

uruchomionego jądra prawie zawsze.



Z powodu tej elastyczności jest to teraz preferowana metoda pisania

niektórych fragmentów jądra.



Wiele popularnych sterowników urządzeń to ładowalne moduły.



Są to sterowniki różnych urządzeń, które nie są wkompilowane bezpośrednio

w jądro.



Jednak gdy zajdzie potrzeba użycia takiego sterownika zostaje on wtedy

załadowany dynamicznie przez specjalny program ładujący bez przerywania

pracy naszego systemu.



Wszystkie moduły dostępne w naszym systemie znajdują się w katalogu

/lib/modules/numer_wersji_naszego_jądra.



Korzyść z użycia modułów jest taka, że przez ich zastosowanie otrzymujemy

mniejsze i szybsze jądro, dzięki czemu nie trwonimy bez potrzeby zasobów

naszego komputera, w razie gdy potrzebujemy raz na jakiś czas skorzystać z

sterownika a mamy go jako moduł, możemy załadować go na czas pracy, a

gdy już nie będzie nam potrzebny spokojnie możemy skasować go z pamięci.



Jednak nie wszystkie sterowniki możemy użyć jako moduły, Linux potrzebuje

część z nich jeszcze zanim zostaną one załadowane przez system, tak jest

np. z obsługą dysku twardego czy systemu plików, aby system mógł się

poprawnie uruchomić i obsłużyć posiadany przez nas sprzęt.

Co to są łaty (patche)?



Są sposobem na dodawanie do jądra lub

uaktualnianie sterowników lub funkcji.



Nieraz po załataniu jądra, szczególnie

nieoficjalnymi łatami może nie działać ono

poprawnie, lub nawet może nie powieść się

jego kompilacja.



Łatać jądro powinniśmy jedynie wtedy, gdy

jesteśmy pewni jego działania i do tego

najlepiej na osobnej kopii źródeł jądra.



Istnieją łaty oficjalne i nieoficjalne.

Co to są łaty (patche)?



Łaty oficjalne możemy znaleźć na stronie

www.kernel.org

.



Łaty te zostały zaakceptowane przez twórców jądra i

pozwalają one aktualizować starszą wersję jądra na nowszą.



Np. jądro 2.6.7 za pomocą łaty patch-2.6.8.bz2

zaktualizować jądro 2.6.7 do wersji 2.6.8.



Łaty te, jeśli nie użyjemy wersji testowej z dopiskiem -rc i

nakładamy na niezałatane wcześniej jądro działają

poprawnie.



Oprócz tego możemy także znaleźć codzienne zrzuty z

czasu rozwoju jądra. Posiadają one dopisek -bk.



Ostatnio pojawiły się także łaty poprawiające błędy w

stabilnej już wersji jądra. Posiadają one na końcu jeszcze

jedna cyfrę, np. 2.6.8.1.



Łaty nieoficjalne możemy znaleźć w różnych miejscach,

zazwyczaj poprawiają one działanie jądra, aczkolwiek nie

muszą zawsze działać poprawnie.

Zadanie domowe



Przygotuj opis kompilacji jądra Linuxa.



Możesz korzystać z materiałów
zgromadzonych w Internecie.



Postaraj się opisać ten proces własnymi
słowami (plagiat obniży ocenę).



Limit stron: max. 6 (czcionka min. 12)



Format pliku: .doc lub .pdf



Gotowy opis proszę wysłać na adres:

[e-mail]



Termin oddania prac: 11.04.2008