PDF de programación - AREA 3: El núcleo - Curso Linux

CURSO LINUX

AREA 3: El núcleo

Indice

● Conceptos
● Arquitectura
● Método de desarrollo
● Nomenclatura
● Sistema de módulos
● Compilación del núcleo

Vuelta al principio

25 de agosto de 1991, 20:57:08 GMT comp.os.minix

Hello everybody out there using minix -

I'm doing a (free) operating system (just a hobby, won't be big and
professional like gnu) for 386(486) AT clones. This has been brewing
since april, and is starting to get ready. I'd like any feedback on
things people like/dislike in minix, as my OS resembles it somewhat
(same physical layout of the file-system (due to practical reasons)
among other things).

I've currently ported bash(1.08) and gcc(1.40), and things seem to
work. This implies that I'll get something practical within a few
months, and I'd like to know what features most people would want.
Any suggestions are welcome, but I won't promise I'll implement them
:-)

Linus Benedict Torvalds ([email protected])

PS. Yes – it's free of any minix code, and it has a multi-threaded
fs. It is NOT portable (uses 386 task switching etc), and it probably
never will support anything other than AT-harddisks, as that's all I
have :-(.

Linux es...

● Linux es el núcleo o kernel del sistema

operativo denominado GNU/Linux

● El kernel es la parte fundamental de un

sistema operativo

● Es el software responsable de facilitar a los

distintos programas acceso seguro al
hardware y responsable de gestionar los
recursos.

Kernel

● Funciones:

– Carga y ejecución

de procesos

– Entrada / salida
– Interfaz entre el

espacio del núcleo y
el espacio de
usuario

Kernel... Más y más

● Otras funciones añadidas al kernel

– Sistemas de ficheros
– Funciones de red
– Servicios
– Sistemas gráficos
– ...

● Se añaden al núcleo por rendimiento

Tipos de núcleo

● Micronúcleos : (microkernel)
● Núcleo mixto
● Exonúcleo
● Núcleo monolítico

Micronúcleo

● Abstracción muy simple

sobre el hw para:
– Gestión de hilos
– Espacio de

direccionamiento
– Comunicación de

procesos

● El resto son servidores
en espacio de usuario

Micronúcleos

Núcleo Mixto

● También denominado híbrido
● Se trata de un microkernel modificado para

incluir funciones externas por motivos de
rendimiento

● Ejemplos:

– Windows NT / 2000 / XP
– XNU
– DragonFlyBSD
– ReactOS

Exonúcleos

● El kernel solo

controla la
protección y el
multiplexado
● El resto de

funciones se
realizan por librerías
dinámicas
● En fase de

investigación

Núcleo monolítico

● El núcleo engloba todos los servicios del

sistema

● Tiene mejor rendimiento que el microkernel
● Cualquier cambio a realizar en cualquier
servicio del núcleo obliga a recompilarlo
entero.

● Existen variaciones que permiten cargar

módulos en tiempo de ejecución

Núcleos monolíticos

● Linux
● Unix

– BSD
– Solaris

● DOS
● VMS
● MacOS < 8.6

Así pues

● Linux es un núcleo monolítico
● Con módulos cargables en tiempo de

ejecución

● Muuuy grande en cantidad de código
● > 6.000.000 líneas de código
● 99% escrito en C
● Open Source
● Y con un pinguino..

TUX

Evolución Linux

Arquitectura interna

Arquitectura básica

Subsistemas

Interfaz de llamadas del sistema

● La interfaz de llamadas del sistema (SCI) es
una pequeña capa que provee el significado
para realizar llamadas de funciones del
espacio de usuario hacia el núcleo.

● Dependiente de la arquitectura, incluso

dentro de la propia familia de procesador.

● Servicio de llamada de función multiplexora

y demultiplexora.
● linux/kernel

Administrador de procesos

● Se centra en la ejecución de procesos
● Dentro del nucleo se organiza en threads
● Proporciona un API con el SCI para:

– crear nuevos procesos
– parar procesos
– sincronizar procesos

● Implementa el algoritmo de scheduling
● Soporta SMP (Multiproceso simétrico)
● linux/kernel + linux/arch

Administrador de memoria

● Otro recurso a compartir (importante)
● Gestiona memoria virtual en páginas de 4K
● Tiene registro de las páginas libres, usadas

y llenas

● Puede crecer o disminuir dinámicamente
● Páginas pueden moverse a disco cuando se

agota la memoria (swapping)

● linux/mm

Sistema de archivo virtual

VFS

● Proporciona una interfaz común a todos los

sistemas de archivo soportados por linux
● VFS es una capa de intercambio de datos
● VFS tiene un API para abrir, cerrar, leer,

escribir

● Bajo ese API existen plugins para cada

sistema de archivo

● Buffer de caché común
● linux/fs

Sistemas de archivo

● Estructuran la información guardada en un

dispositivo físico

● Separación en bloques (sectores)
● Como mínimo:

– crear
– mover
– renombrar
– eliminar

● tanto archivos como directorios

Sistemas de archivo

● Funcionalidades adicionales

– Enlaces (fisicos o virtuales)

● Seguridad de acceso

– privilegios
– lista de acceso

● Prevención de segmentación
● Integridad del sistema

Sistemas Linux

● ext2
● ext3
● JFS
● ReiserFS
● XFS
● .. y algunos especiales
● jffs2

ext2

● Second extended filesystem
● Basado en inodos
● Límites: 2TB Archivo – 4TB Partición

ext3

● Sucesor de ext2 y compatible con él
● Utiliza un sistema de journaling
● Permite transacciones
● Es más robusto que ext2
● Permite montarse como ext2, desactivando

el journaling

● Tiene peor rendimiento que los siguientes

JFS

● IBM Journaling File System
● FS de 64 bit, con licencia GPL
● Introducido en AIX 3.1
● Eficiente en el sistema de journaling
● Limites: 1PiB Archivo 32PiB Volumen
● (PiB = 20^50 bits)

ReiserFS

● Desarrollado por NameSys (Hans Reiser)
● Incluye journaling
● Será sustituido por Raiser4
● Reparticionado en caliente
● 10-15 veces más rápido que ext2
● Limites: 8 TiB Archivo 16 TiB Volumen
● Algunos problemas (corrupción del arbol,

operaciones asíncronas, etc.)

XFS

● Sistema con journaling de SGI
● Limites: 8 exabytes (10^18 bytes)
● Sistema multihilo en operaciones

concurrentes

●

● http://oss.sgi.com/projects/xfs/

jffs2

● Journaling Flash File System 2
● Especializado en memorias flash
● Con journaling
● Acceso a dispositivos NAND
● Compresión (zlib, rubin, rtime)
● Recolector de basura
● Problemas de rendimiento con > 1Gb

Pila de red

● Core: net/core
● IP: net/ipv4
● Routing: net/ipv4
● Udp: net/ipv4
● Forwarding: net/ipv4
● Bridging: net/bridge
● linux/net

Pila de red (2)

Drivers

● La mayor parte del código de linux son

drivers

● linux/drivers
● Generalmente cargados como módulos

acorn       clocksource  firmware    leds       mtd       ps3      tc
acpi        connector    hid         lguest     net       rapidio  telephony
amba        cpufreq      hwmon       macintosh  nubus     rtc      uio
ata         cpuidle      i2c         Makefile   of        s390     usb
atm         crypto       ide         mca        oprofile  sbus     video
auxdisplay  dca          ieee1394    md         parisc    scsi     virtio
base        dio          infiniband  media      parport   serial   w1
block       dma          input       message    pci       sh       watchdog
bluetooth   edac         isdn        mfd        pcmcia    sn       xen
cdrom       eisa         Kconfig     misc       pnp       spi      zorro
char        firewire     kvm         mmc        power     ssb

Código dependiente

arquitectura

● Existe una parte del código que depende de

la arquitectura
● linux/arch
● Cada subdirectorio de arquitectura contiene

los archivos necesarios para que el kernel
funcione en ella

● Parte del código en ensamblador .S, mínimo

con respecto al c

Arquitecturas soportadas

● x86-based PCs
● Alpha AXP,
● SPARC,

UltraSPARC

● Motorola 68000,
● PowerPC / 64
● ARM
● Hitachi SuperH
● Cell

● IBM S/390,
● MIPS,
● HP PA-RISC,
● Intel IA-64,
● DEC VAX
● AXIS CRIS,
● Xtensa, AVR32
● Renesas M32R

Otras características

● Portabilidad
● Eficiencia
● Permite incluir nuevos protocolos fácilmente
● Kernel dinámico (módulos cargables)
● Inclusión de virtualización
● Método de desarrollo muy especial

El método linux

● Modelo de desarrollo abierto
● Muchos desarrolladores “autoasignados”

trabajando en paralelo en las áreas de
interés

● Unos pocos coordinadores de área
● Un coordinador central (Linus Torvalds)
● Sistema de pruebas muy costoso (diferentes

arquitecturas)

El método linux (2)

● Sistema basado en parches (patch)
● Control de versiones mediante git (escrito

por torvalds para el nucleo)

● Casi todo el trabajo se realiza por internet

(no hay contacto entre desarrolladores)

● Uso intensivo email y listas de correo
● Basado en el respeto mútuo y en netiqueta

(no siempre funciona)

Desarrollo del kernel 2.6

● 2.6.x Linus Torvalds

– Ventana de release 2 semanas -> rc1
– Nuevo rc cada semana
– Cuando está maduro se lanza

● 2.6.x.x -stable

– Correcciones criticas de seguridad y regresiones
– Ciclo de revisión

● Kernels -mm (Andrew Morton)
● Kernels -git

Nomenclatura

● Actualmente dispone de 4 digitos 2.X.X.X
● El primer dígito es el más importante, solo

ha cambiado 2 veces en la historia

● El segundo 2.1, 2.2, 2.4, 2.6 ... Distinguia

inicialmente entre pares o impares (estable o
testing)

● El tercero es la release concreta y cambia
con adiciones importantes release torvalds

● El 4º es el stable, mantenido por otro equipo

Sistema de módulos

● Linux es monolítico
● Era complicado que era disponer de un

núcleo nuevo con cada hardware instalado
● Solución: Loadable Kernel Módules (LKM)
● Código a añadir al núcleo en tiempo de

ejecución

●

Usos LKM

● Drivers dispositivos
● Driver sistemas de archivos
● Nuevas llamadas al sistema
● Drivers de red (protocolos, etc.)
● Intérpretes ejecutables
● TTY

Utilidades LKM

● insmod : inserta un nuevo LKM
● rmmod : elimina un LKM del núcleo
● depmod : determina interdependencias
● kerneld : demonio del kernel para LKM
● ksyms : muestra símbolos exportados por el

kernel para LKM

● lsmod : lista los LKMs cargados
● modprobe : inserta o elimina LKMs de

manera segura

Ejemplo

● lsmod