Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Операционная система Linux в плане переносимости занимает промежуточное положение. Насколько это целесообразно из практических соображений, интерфейсы и код сохраняются независимыми от аппаратной платформы и пишутся на языке С. Однако функции ядра, которые критичны к производительности, выполняются зависимыми от аппаратной платформы. Например, низкоуровневый код и код, который должен выполняться очень быстро, разрабатывается зависимым от аппаратной платформы и обычно на языке ассемблера. Такой подход позволяет сохранить переносимость ОС Linux и при этом воспользоваться оптимизациями.

В случаях, когда переносимость становится помехой производительности, производительность обычно всегда побеждает. В остальных случая сохраняется переносимость кода.

Обычно экспортируемые интерфейсы ядра независимы от аппаратной платформы. Если различные части одной подпрограммы должны быть разными для разных аппаратных платформ (из соображений производительности или по необходимости), то код выполняется в виде нескольких функций, которые вызываются, в нужных местах. Для каждой поддерживаемой аппаратной платформы реализуются свои функции, которые затем компонуются в общий исполняемый образ ядра.

Хороший пример — планировщик. Большая часть планировщика написана независимым от аппаратной платформы образом на языке С. Реализация находится в файле kernel/sched.c. Некоторые из функций планировщика, такие как переключение состояния процессора или переключение адресного пространства, очень сильно зависят от аппаратной платформы. Следовательно, функция context_switch(), которая переключает выполнение от одного процесса к другому и написана на языке С, вызывает функции switch_to() и switch_mm() для переключения состояния процессора и переключения адресного пространства соответственно.

Код функций switch_to() и switch_mm() выполнен отдельно для каждой аппаратной платформы, которую поддерживает операционная система Linux. Когда операционная система Linux портируется на новую аппаратную платформу, то для новой аппаратной платформы просто необходимо реализовать эти функции.

Файлы, которые относятся к определенной аппаратной платформе, находятся в каталоге arch/<аппаратная платформа>/ и include/asm-<аппаратная платформа>/, где <аппаратная платформа> — это короткое имя, которое представляет аппаратную платформу, поддерживаемую ядром Linux. Например, аппаратной платформе Intel x86 присвоено имя i386. Для этого типа машин файлы находятся в каталогах arch/i386 и include/asm-i386. Ядра серии 2.6 поддерживают следующие аппаратные платформы: alpha, arm, cris, h8300, i38, ia64, m68k, m68knommu, mips, mips64, parisc, ppc, ppc64, s390, sh, spare, sparc64, um, v850 и x86-64. Более полное описание приведено в табл. 19.1.

История переносимости Linux

Когда Линус Торвальдс впервые выпустил операционную систему Linux в ничего не подозревающий мир, эта ОС работала только на аппаратной платформе Intel i386. Хотя данная операционная система и была достаточно хорошо обобщена и хорошо написана, переносимость для нее не была основным требованием. Однажды Линус даже говорил, что операционная система Linux не будет работать ни на какой аппаратной платформе, кроме i386! Тем не менее в 1993 году началась работа по портированию ОС Linux на машины Digital Alpha. Аппаратная платформа Digital Alpha была повой высокопроизводительной RISC-платформой с поддержкой 64-разрядной адресации памяти. Она очень сильно отличалась от аппаратной платформы i386, о которой говорил Линус. Тем не менее, первоначальный перенос на аппаратную платформу Alpha занял около года, и аппаратная платформа Alpha стала первой официально поддерживаемой аппаратной платформой после x86. Это портирование было, наверное, самым сложным, потому что — первым. Вместо простого переписывания ядра для поддержки новой аппаратной платформы, части ядра были переписаны с целью введения переносимости[91]. Хотя это и привело к выполнению большого количества работы, в результате получился более ясный для понимания код, и в будущем перенос стало выполнять более просто.

Первые выпуски ОС Linux поддерживали только платформу i386, а серия ядер 1.2 уже поддерживала Digital Alpha, Intel x86, MIPS и SPARC, хотя такая поддержка была отчасти экспериментальной.

С выпуском ядра версии 2.0 была добавлена официальная поддержка платформ Motorola 68k и PowerPC. В дополнение к этому поддержка всех аппаратных платформ, которые ранее поддерживались ядрами серии 1.2, стала официальной и стабильной.

В серию ядер 2.2 была введена поддержка еще большего количества аппаратных платформ: добавлены ARM, IBM S/390 и UltraSPARC. Через несколько лет в серии ядер 2.4 количество поддерживаемых аппаратных платформ было почти удвоено, и их количество стало равным 15. Была добавлена поддержка платформ CRIS, IA-64, 64-разрядная MIPS, HP PA-RISC, 64-разрядная IBM S/390 и Hitachi SH.

В серии 2.6 количество поддерживаемых аппаратных платформ было доведено до 20 за счет добавления платформ Motorola 68k бел устройства MMU, H8/300, IBM POWER, v850, x86-64 и версии ядра, которое работает на виртуальной машине под ОС Linux - Usermode Linux. Поддержка 64-разрядной s390 была объединена с 32- разрядной платформой s390, чтобы избежать дублирования.

Необходимо заметить, что каждая из этих аппаратных платформ поддерживает различные типы машин и микросхем. Некоторые из поддерживаемых аппаратных платформ, такие как ARM и PowerPC, поддерживают очень большое количество типов микросхем и машин. Поэтому, хотя ОС Linux и работает на 20 аппаратных платформах, она работает на гораздо большем количестве типов компьютеров!

Размер машинного слова и типы данных

Машинное слово (word) — это количество данных, которые процессор может обработать за одну операцию. Здесь можно применить аналогию документа, состоящего из символов (character, 8 бит) и страниц (много слов). Слово— это некоторое количество битов, как правило 16, 32 или 64. Когда говорят о "n-битовой" машине, то чаще всего имеют в виду размер машинного слова. Например, когда говорят, что процессор Intel Pentium — это 32-разрядный процессор, то обычно имеют в виду размер машинного слова, равный 32 бит, или 4 байт.

Размер процессорных регистров общего назначения равен размеру машинного слова этого процессора. Обычно разрядность остальных компонентов этой же аппаратной платформы в точности равна размеру машинного слова. Кроме того, по крайней мере для аппаратных платформ, которые поддерживаются ОС Linux, размер адресного пространства соответствует размеру машинного слова[92]. Следовательно, размер указателя равен размеру машинного слова. В дополнение к этому, размер типа long языка С также равен размеру машинного слова. Например, для аппаратной платформы Alpha размер машинного слова равен 64 бит. Следовательно, регистры, указатели и тип long имеют размер 64 бит. Тип int для этой платформы имеет размер 32 бит. Машины платформы Alpha могут обработать 64 бит — одно слово с помощью одной операции.

Слова, двойные слова и путаница

Для некоторых операционных систем и процессоров стандартную порцию данных не называют машинным словом. Вместо этого, словом называется некоторая фиксированная порция данных, название которой выбрано случайным образом или имеет исторические корни. Например, в некоторых системах данные могут разбиваться на байты (byte — 8 бит), слова (word — 16 бит), двойные слова (double word — 32 бит) и четверные слова (quad word — 64 бит), несмотря на то что на самом деле система является 32-разрядной. В этой книге и вообще в контексте операционной системы Linux под машинным словом понимают стандартную порцию данных процессора, как обсуждалось ранее.

Для каждой аппаратной платформы, поддерживаемой операционной системой Linux, в файле <asm/types.h> определяется константа BITTS_PER_LONG, которая равна размеру типа long языка С и совпадает с размером машинного слова системы. Полный список всех поддерживаемых аппаратных платформ и их размеры машинного слова приведены в табл. 19.1.

Таблица 19.1. Поддерживаемые аппаратные платформы

Аппаратная платформа Описание Размер машинного слова alpha Digital Alpha 64 бит arm ARM и StrongARM 32 бит cris CRIS 32 бит h8300 H8/300 32 бит I386 Intel x86 32 бит ia64 IA-64 64 бит m68k Motorola 68k 32 бит m86knommu m68k без устройства MMU 32 бит mips MIPS 32 бит mips64 64-разрядная MIPS 64 бит parisc HP PA-RISC 32 бит, или 64 бит ppc PowerPC 32 бит ppc64 POWER 64 бит s390 IBM S/390 32 бит, или 64 бит sh Hitachi SH 32 бит sparс SPARC 32 бит sparc64 UltraSPARC 64 бит um Usermode Linux 32 бит, или 64 бит v850 v850 32 бит x86_64 X86-64 64 бит

Стандарт языка С явно указывает, что размер памяти, которую занимают переменные стандартных типов данных, зависит от аппаратной реализации[93], при этом также определяется минимально возможный размер типа. Неопределенность размеров стандартных типов языка С для различных аппаратных платформ имеет свои положительные и отрицательные стороны. К плюсам можно отнести то, что для стандартных типов языка С можно пользоваться преимуществами, связанными с размером машинного слова, а также отсутствие необходимости явного указания размера. Для ОС Linux размер типа long гарантированно равен размеру машинного слова. Это не совсем соответствует стандарту ANSI С, однако является стандартной практикой в ОС Linux. Как недостаток можно отметить, что при разработке кода нельзя рассчитывать на то, что данные определенного типа занимают в памяти определенный размер. Более того, нельзя гарантировать, что переменные типа int занимают столько же памяти, сколько и переменные типа long[94].