Tìm hiểu nhân của hệ điều hành Linux

Linux đang ngày càng trở nên một hệ điều hành phổ biến trên thế giới. Việc phân tích và tìm hiểu hoạt động của Linux đang trở nên một nhu cầu thiết yếu đối với những người nghiên cứu CNTT. Trong bài viết này chúng tôi muốn giới thiệu cho các bạn các thành phần và hoạt động của nhân Linux (Linux Kernel)

Nhân (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 chương trình chạy cùng một lúc. Làm sao chúng làm được như vậy? Bằng cách chuyển quyền thực thi qua lại giữa 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 xong chuyển 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 ngắt 1Ch (hook interrupt) để giả lập đa nhiệm. Interrupt 1Ch thực chất được Timer IRQ (6 hay 8 gì quên mất rồi) gọi. Timer IRQ là một ngắt cứng tức là tín hiệu do bộ phát xung gởi tới CPU. Mặc định là 1/13 giây 1 lần bộ phát xung này gởi 1 tín hiệu IRQ đến CPU. Khi đó CPU sẽ ngưng lệnh đang thi hành chuyển qua xử lý ngắt. Timer IRQ sau đó sẽ gọi ngắt 1Ch. Nếu bạn viết 1 chương trình con hook int 1Ch, thì bạn sẽ có cảm tưởng nó chạy song song với chương trình chính (thật ra 1/13s nó mới chạy 1 lần). Ứng dụng cái này tôi có viết một chương trình chạy banner trong màn hình DOS, hay chương trình ping pong gồm 1 hay nhiều 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 thì không đủ nhanh để switch qua nhiều tiến trình nhưng xài hàm của BIOS ta có thể tăng tốc cho SCHED 1/100s 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 được tới FFFFF, mà vùng nhớ cao (High memory từ A0000 trở lên) dùng để ánh xạ (map) BIOS, Video card memory và các thiết bị ngoại vi khác, vùng nhớ còn xài được (Low memory) là từ 9FFFF trở xuống. Dùng calculator đổi 9FFFF ra decimal bạn sẽ có đúng 640K . Chắc bạn ngạc nhiên hỏi rằng cây RAM 512M mua 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 này mỗi process được cấp cho 4G virtual memory từ 00000000-FFFFFFFF. Nhưng kernel sẽ giữ 1 table mô tả ánh xạ từng page của virtual memory với physical memory. Physical memory bây giờ bao gồm cả RAM và swap disk space. Tất nhiên là 4G virtual memory không bao giờ được ánh xạ đầy đủ (ánh xạ hết lấy gì cho mấy process khác chạy). Phần lớn mặc dù có đánh địa chỉ , nhưng chỉ khi bạn đọc hoặc ghi lên đó thì 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 bị ngoại vi. Nếu như Triump tất cả là thời trang thì ta có thể nói ở Linux tất cả là file. Ý tưởng này bắt nguồn từ Unix và các hệ điều hành sau này điều thiết lập theo hướng đấy. Đừng quên là trong DOS bạn dùng copy 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 cùng nhau tìm hiểu sau.


Các cấu trúc dữ liệu hệ thống.
Hệ điều hành Linux hoạt động nhờ vào các dữ liệu này
1. 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 sách liên kết gọi là danh sách tác vụ. SCHED còn có 1 con trỏ current để chỉ tác vụ nào đang active. Theo tôi nghĩ thì các dữ liệu này phải có các giá trị của các thanh ghi của process đó ngay lúc nó bị switch. Khi một 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 còn các thông tin để chỉ cách lấy và thay cho từng trang cụ thể. Tất cả các thông tin này chứa trong memory map và memory map được chứa trong trong task list.

3. I-nodes
VFS dùng i-nodes để định vị các file. Cấu trúc dữ liệu i-nodes dùng để ánh xạ các file block thành các địa chỉ vật lý ở trường hợp đĩa cứng và đĩa mềm là các sector, cyclinder và head.

4. Data connection
Mô tả network connection đang mở

Tất cả các cấu trúc dữ liệu này đều bắt nguồn từ task list. Mỗi 1 process có một con trỏ chỉ tới cấu trúc memory map, 1 con trỏ chỉ tới danh sách các i-node của các file đang mở cho riêng process đó, và 1 con trỏ chỉ tới danh sách các data connection cho tất cả các network connection đang mở.

**************************
Cấu trúc của SCHED
Bây giờ ai cũng biết đây là bộ phận trung tâm của hệ điều hành. Nó chịu trách nhiệm chia sẽ thời gian xử dụng CPU cho tất cả các process , process bình thường cũng như các tiểu hệ thống.

SCHED được chia thành 4 module
1. Module luật định thời (scheduling policy): chịu trách nhiệm phân xử xem process nào được quyền truy xuất CPU. Hệ thống hoạt động có thông suốt hay không nhờ vào bộ luật này, tránh trường hợp 1 process lợi dụng sơ hở của điều luật mà chiếm thời gian hệ thống qua nhiều làm các process khác bị đóng băng (freeze)
2. Module phụ thuộc kiến trúc (architeture-specific): module này gồm các code assembly phụ thuộc vào mỗi loại CPU dùng để suspend hay assume process.
3. Module độc lập kiến trúc (architeture-independent): module gọi các hàm từ module phụ thuộc kiến trúc và module luật để switch giửa các process đồng thời nó còn gọi các hàm ở MM để thiết lập virtual memory cho các process được resume. Nên nhớ module phụ thuộc kiến trúc sẽ khác nhau ở mỗi loại CPU (ỉ386, apha, v.v) nhưng module độc lập kiến trúc thì không đổi kĩ thuật này ai lập trình hướng đối tượng sẽ biết nó là abstract
4. Module hàm gọi hệ thống (system call). Gồm các hàm mà user có thể dùng để tương tác với SCHED. Ai lập trình Linux và Unix sẽ quen với các system call này.

Cấu trúc dữ liệu
Task list: chứa dữ liệu đủ để suspend và resume 1 process. Ngoài ra còn có các dữliệu dùng để thống kê trạng thái hệ thống. Các dữ liệu này được public. Các bạn có thể dùng nó để phân tích hệ thống đang chạy

Cấu trúc MM
MM chịu trách nhiệm điểu khiển tiến trình truy xuất tài nguyên bộ nhớ. Bản thân CPU cũng có một hệ thống quản lý bộ nhớ vật lý mà cho phép ánh xạ giửa bộ nhớ process với bộ nhớ vật lý. MM phải lưu trữ ánh xạ này cho từng process. Thêm vào đó MM còn cho phép swap; nó sẽ di chuyển những trang bộ nhớ không dùng xuống ổ cứng cho phép PC dùng bộ nhớ RAM còn trống.

MM có 3 module
1. Module phụ thuộc kiến trúc: code gọi các lệnh của hệ thống quản lý bộ nhớ của CPU
2. Module độc lập kiến trúc: ánh xạ cho từng process và swap bộ nhớ ảo. Nó cũng quyết định xem phải remove trang nào , load trang nào. Các lập trình viên Linux không thiết kế 1 module policy riêng vì policy cho MM sẽ không thay đổi.
3. System call cho phép các process tác động lên MM bao gồm xin cấp phát vùng nhớ

Cấu trúc VFS

VFS thiết kế để thống nhất cách truy xuất tất cả các thiết bị phần cứng. Ngoài ra VFS còn chịu trách nhiệm load các chương trình thực thi.

Modules
1. Các module thiết bị điều kiển, mỗi một phần cứng sẽ có 1 module thiết bị điều kiển riêng, cái này thường gọi là driver. Linux cũng như các hệ điều hành khác cho phép thêm vào 1 driver mới.
2. Module giao diện độc lập thiết bị. Cái này là abstract cho tất cả các driver
3. Các module hệ thống file logic: Trên thực tế có nhiều hệ thống fiel khác nhau, mỗi hệ thống file có một module điều khiển riêng.
4. Module độc lập hệ thống file: Cái này là abstract không những cho các loại file system mà còn cho tất cả các driver. Ai lập trình driver cho DOS thì có lẽ nhớ chổ này tất cả các driver qui về 2 loại loại block mỗi lần đọc hay ghi đều đi theo block dữ liệu ví dụ nhưng disk và loại kí tự mỗi lần đọc và ghi 1 kí tự như máy in bàn phím v.v
5. Cuối cùng là system call các hàm gọi hệ thống cho VFS

Cấu trúc NET

NET cho phép Linux connect với các hệ thống khác bằng mạng. Ai cũng biết mạng thì rất nhiều loại thiết bị và giao thức mạng. NET abstract tất cả cho phép những phần khác có thể truy xuất qua mạng mà không quan tâm đền các thiết bị và giao thức được sử dụng

NET có 5 module
1. Các Driver cho thiết bị mạng, mỗi module cho mỗi loại thiết bị
2. Module độc lập thiết bị: abstract tất cả các thiết bị mạng
3. Các Module giao thức mạng: mỗi module cho mỗi loại giao thức truyền
4. Module độc lập giao thức mạng: abstract cho tất cả các module giao thức mạng và các driver.
5. System call

Booting (khởi động)Ở đây ta chỉ phân tích cho hệ thống máy tính PC i386 còn các loại khác thì không biết
Có 6 bước khởi động máy tính
1. Chương trình BIOS chọn thiết bị boot
2. Chương trình BIOS đọc bootsector từ thiết bị boot lên bộ nhớ
3. Quyền điều khiển chuyển qua cho chương trình bootsector, chương trình này đọc tiếp phần setup , các chương trình giải nén và kernel image đã được nén
4. Kernel sẽ được giải nén ở trong protected mode
5. Khởi động mức thấp bởi assembly code
6. Khởi động mức cao cho C code

Bước 1: BIOS POST (Khởi động của BIOS)
Theo bản thiết kế đầu tiên của máy tính – máy Turing, máy tính là 1 thiết bị cho phép chạy đúng 1 chương trình thôi. Các máy tinh Casio chẳng hạn cũng chạy 1 chương trình calculator. Các máy tinh chạy băng giấy cũng vậy bạn nạp chương trình bằng tay vào chạy kết thúc rồi lại nạp chương trình khác. Bản thân máy PC Pent4 hiện đại nhất cũng vậy cũng chỉ cho phép chạy đúng 1 chương trình thôi. Tuy nhiên chương trình này có khả năng nạp những chương trình khác lớn hơn phức tạp (khác với việc nạp tay như hồi xưa) hơn rồi chuyển quyền điều khiển cho chúng để tiếp tục những dòng lệnh thực thi không ngừng cho đến khi tắt máy tính. Chương trình ban đầu này được gọi là chương trình khởi động, để thuận tiện người ta nạp nó vào con BIOS và gắn chung vào hệ thống PC.
Mục đích của chương trình khởi động là nạp cho được chương trình hệ điều hành (OS). OS sẽ là chương trình lập vô tận (infinite loop) nó chờ lệnh của user để nạp các chương trình ứng dụng , khi các chương trình ứng dụng kết thúc thì quyền thực thị trả về cho OS ... OS lại tiếp tục chờ để nạp chương trình khác. Vậy từ khả năng chỉ chạy được 1 chương trình người ta đã phát minh ra hệ điều hành là 1 chương trình cho phép nạp tự động những chương trình khác giúp cho máy tính có khả năng to lớn hơn.
BIOS -----> OS --------> Application
...................|____________|

a. Khi bật điện, Bộ nguồn sẽ chạy bộ tạo xung (đồng hồ nhịp - tốc độ Hetz của memboard phục thuộc vào đồng hồ này), và tín hiệu POWERGOOD được gởi vào bus báo cho các thiết bị trong PC.
b. Đồng thời đường #RESET của CPU on, CPU khởi động ở real mode(8086)
c. Các thanh ghi %ds=%es=%fs=%gs=0, %cs=0xFFFF, %ip=FFF0
d. Chương trình kiểm tra thiết bị chạy (giá trị RAM chạy vèo vèo trên màn hình)
e. Bảng interrupt được khởi động tại 0
f. Chương trình BIOS Bootstrap Loader chạy qua int 0x19 %dl=dsố hiệu ổ đĩa khởi động. Chương trình này tải track 0 sector 1 (boot sector) lên địa chỉ 0x7C00