Linux kernel

linux_kernel

POSIX - Portable Operating System Interface
API - Application Programming Interface
VM - Virtual Memory
US - user space
KS - kernel space
IP - instruction pointer
CPU - central processing unit 
DMA - direct memory access
dev - устройство
NUMA - Non-Uniform Memory Access
MMU - memory management unit 
SMP - Symmetric Multiprocessing
IPI - inter processors interrupt
APIC - Advanced Programmable Interrupt Controller
LAPIC - local APIC
IOAPIC - input/output APIC
VT-x - Аппаратная виртуализация
ОС - операционная система
ASM - assembly language
Block I/O - block input/output
IPC - interprocess communication

всё касается x86

------------------------------------
Основа

ядро ОС:
    1. API к аппаратуре
        Linux API соответствует большей части POSIX, но не полностью

        системный вызов 

            отличается от обычного вызова
                передача управления из US в KS
                с переключением привелегий - в привелигированный режим (от 3 к 0)

            с точки зрения ASM
                раньше - программное прерывание (инструкция int)
                сейчас - инструкция sysenter
            
            является интерфейсом к ядру            
            
    2. Управлять ресурсы:
        делить доступ между процессами
        
        ресурсы
            CPU
            Memory
            Перифирия (жёсткие диски, мыши, клавы, моники и пр.)

I. Ядро, 2.5 типа
    - монолитное
        подсистемы 
            - отдельные части одной большой программы
            - в одном адресном простанстве
            - вызывают функции других подсистем
        
        - модульное
            подсистемы можно подключать/отключать на лету
            - это Linux (можно собрать с разными модулями)

        ++ легче разрабатывать (всё в одном месте)
        ++ быстрее работает

    - микро
        ядро - подсистема взаимодействия подсистем
        + подсистема управления памятью (для ускорения)

        ++ безопаснее (можно восстановить подсисетему)
        ++ легче разрабатывать (декомпозировано, легче отладить так как мало)
        
II. Разбор печати "Hello World"
printf() - функция библиотеки (*написал разрботчик*)

    write() - функцию (*его вызывает printf*) - не системный вызов
        в библиотеке glibc есть имена дублирующие имена системных вызовов, но ими не являются

        отличается от системного вызова, ожидаем что glibc кто-то пристегнёт (но может не быть)

        отличается от системного вызова - может переставить аргументы, ядро может использовать свои внутренние структуры (таймеры - свои идентификаторы)

        sys_write() - системный вызов (*его вызывает write*)

III. Дополнение к API между ядром и US кроме системных вызовов
    procfs 
        - псевдо файловая, для отображения информации о выполняющихся в ядре процессах (нет системного вызова для получения этой информации)

    sysctl 
        - оформлена как файловая система 
        для конфигурирования констант ядра (куча их в TCP/IP стеке) из US

    netlink
        - хитрый тип сокета, получателем данных является ядро, после обработки отвечает
        
        - 99.9 написано API к Network подсистеме

IV. 
Рекомендации к изучению
    https://kernelnewbies.org/ - как точка входа для начинающих

    исходники ядра

Что можно ещё изучить, возможные лекции:
    Как ядро выглядить с точки зрения программиста

    Что происходит на загрузке

    Контекст исполнения кода
    
    Синхронизация. MM:управление памятью в ядре, управление памятью программ

    Планировщик. Управление процессами


    Файловые системы (VFS)

    Сетевой код

    Особенности работы с дисками

    Бонус: kernel developers community


------------------------------------
Отступления
    
1*.
в VM адреса среди [0:2^разрядность)
            в VM разделены 
                US 
                    IP бегает только в US                    
                KS начиная с адреса вверх
                    IP бегает только в KS

1**. 
выполнение кода в VM (вызов функции)
    передача управления (jmp, call) из US в KS
    меняются регистры процессора (IP, ...)
        call меняет значения регистров процессора
        jmp - в регистрах указывается куда вернуться после RETURN

2*.
в аппаратуры для ядра должны быть (мин. требования для работы ядра Linux):
    защищённый режим - разделение привилегий кода
    страничная адресация - режим
    таймер/прерывания - генерация в предсказуемой манере

    * ещё в ядре бывает:
        DMA 
            - данные ядро пишет в память; говорит dev-у записать к себе; dev фоново читает; dev по завершение присылает прерывание
            - до этого от CPU к dev через порты по 8 байт (инструкции in, out)

        NUMA
            на многопроцессорной системе CPU ходят к физ. памяти через несколько MMU, которые поровну делят память. MMU общаются между собой
            ++ для ускорения работы программа где много памяти
                - доступ CPU к своей памяти быстрее (памяти меньше) через MMU_1, к чужой (MMU_1 - MMU - 2)- медленнее
            -- ядру нужно разбаласировать процессы с учётом NUMA-зон (пришить процесс к CPU)
            -- ядру нужно согласовывать выделение объектов в NUMA-зоне и использовать только с принадлежащих CPU
       
        SMP - одинаковые CPU
            IPI - прерывание не только от dev но и соседнего CPU (например. планировщик CPU_1 вытесняет процесс (шлёт IPI) на соседнем CPU_2 съевший много CPU_2-time)
        
        APIC - CPU получает прерывания не от железа, а от APIC. APIC получает прерывания от железа
            LAPIC - пришит к одному CPU
            IOAPIC - принимает от железа прерывания, передаёт LAPIC

        VT-x - запуск виртуальных машин эффиктивно на CPU

2**
Уровни привелегий
    0 - самый высокий
        только здесь настройка страничной адресации (2*) 
        здесь ядро
    1,2
        раньше до VT-x для выполнения кода гостевой ОС (чуть больше полномочий кода)
    3 - самый низкий
        нельзя запрещать прерывания
        ...

        здесь US
    
    нельзя ни на каком обратится к физической памяти

I*. Подсистемы ядра:
    File sysem
    Memory managment
    Network
    Block I/O - огромная
        блочное dev 
            - ввод вывод блоками производится фиксированного размера в произвольное место у
            - доступ к dev должен производится по произвольному адресу
    (подсистема управление подсистемами - не Linux)
    Управление процессами
    IPC


У сетевой карты - доступ не произвольный
    
Прерывание - вызывается если dev что-то говорит CPU

В Linux нет ICMP сокетов, используются сырые сокеты (SOCK_RAW)