Разработка ядра Linux

Лав Роберт

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.

91

Это нормальная ситуация при разработке ядра. Если что-либо должно быть сделано, то это должно быть сделано хорошо! Разработчики ядра неохотно переписывают большие участки кода даже во имя совершенства.

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.

92

Размер адресуемой памяти может быть меньше максимального значения машинного слова. Например, для 64-разрядных аппаратных платформ размер указателя ранен 64 бит, однако только 48 бит можно использовать для адресации. В дополнение к этому, общее количество физической памяти может быть больше максимального значения машинного слова, как, например, это имеет место при наличии расширения Intel PAE..

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