Как пользоваться ядром linux

Основы Linux от основателя Gentoo. Часть 2 (5/5): Модули ядра

В заключительном отрывке второй части описаны основы управление модулями ядра Linux. Этот минимум неплохо знать всякому пользователю, однако, не стоит надеяться обнаружить в этом руководстве для начинающих информацию по сборке и конфигурированию модулей ядра.

Навигация по основам Linux от основателя Gentoo:

Часть I

1. BASH: основы навигации (вступление)
2. Управление файлами и директориями
3. Ссылки, а также удаление файлов и директорий
4. Glob-подстановки (итоги и ссылки)

Часть II

1. Регулярные выражения (вступление)
2. Назначения папок, поиск файлов
3. Управление процессами
4. Обработка текста и перенаправления
5. Модули ядра (итоги и ссылки)

Часть III: 1, 2, 3, 4

Модули ядра

Знакомьтесь, «uname»

Команда uname дает множество интересной информации о вашей системе. Вот пример вывода на моей рабочей машине, после того, как я набрал uname -a, что говорит команде uname напечатать всю имеющуюся информацию:

$ uname -a
Linux inventor 2.4.20-gaming-r1 #1 Fri Apr 11 18:33:35 MDT 2003 i686 AMD Athlon(tm) XP 2100+ AuthenticAMD GNU/Linux

Подробнее о uname

Теперь, давайте посмотрим, какую же информацию о системе может дать uname

Интригующе! А что напечатает uname -a у вас?

Релиз ядра

А теперь небольшой трюк. Для начала выполните uname -r чтобы программа напечатала релиз ядра, которое работает в данный момент.

Теперь посмотрите в директорию /lib/modules и — опа! — Я уверен, что вы обнаружили каталог с точно таким же именем! OK, никакой магии, теперь самое время поговорить о значении каталогов в /lib/modules, а также объяснить, что такое модули ядра.

Ядро Linux это сердце того, что обычно называют «Linux» — это кусок кода, который напрямую взаимодействует с вашим железом и абстрагирует от него обычные программы. Благодаря ядру, вашему текстовому редактору не нужно беспокоиться на какой диск, SCSI или IDE, а может даже в RAM, он производит запись. Редактор просто записывает в файловую систему, а ядро заботится обо всем остальном.

Введение в модули ядра

Итак, что такое модули ядра? Они представляют собой часть ядра, которая сохраняется на диске в специальном формате. По вашей команде, они подгружаются в работающее ядро и добавляют в него новую функциональность.

Поскольку модули ядра загружаются по требованию, вы можете иметь ядро поддерживающее дополнительную функциональность, которая в обычном состоянии будет выключена и недоступна.
Но «раз в сто лет», эти модули окажутся очень полезными и смогут быть загружены — часто автоматически — для поддержки диковинной файловой системы или устройства, которое вы редко используете.

Модули ядра вкратце

В общем, модули ядра позволяют по требованию добавить возможностей в работающее ядро. Без модулей, вам бы пришлось компилировать новое ядро и перезагружаться для того, чтобы добавить поддержку чего-нибудь нового.

lsmod

Для просмотра загруженных модулей на вашей системе используйте команду lsmod:

Список модулей

Как видите, на моей системе загружено достаточно немного модулей. vmnet и vmmon модули, обеспечиваю необходимую функциональность для VMWare Workstation, которая позволяет мне запускать виртуальные машины в окне рабочего стола. Модуль nvidia выпущен NVIDIA corporation и позволяет использовать 3D-ускорение в Linux.

Дальше у меня есть набор модулей, которые используются для поддержки USB устройств ввода — mousedev, hid, usbmouse, input, usb-ohci, ehci-hcd и usbcore. Имеет смысл сконфигурировать ваше ядро для поддержки USB модулей. Почему? Потому что USB девайсы это «plug and play» (подключай и работай) девайсы и если у вас есть поддержка USB в модулях, вы можете спокойно пойти и купить новое USB устройство, подключить его, и ваша система автоматически загрузит соответствующие модули для этого устройства. Это удобный способ сделать что-то.

Сторонние модули

Завершают этот список модули: emu10k1, ac97_codec и sound, которые вместе обеспечиваю поддержку моей звуковой карты Audigy.

Следует отметить, некоторые из моих модулей доступны прямо в исходниках ядра. Например, все USB-модули были скомпилированы из стандартных исходных текстов ядра Linux. Однако, nvidia, emu10k1 и VMWare-модули были получены из других источников. Это подчеркивает другую важную особенность модулей ядра — возможность сторонних производителей добавлять необходимую функциональность в ядро и включать ее прямо в запущенное ядро. Без перезагрузки.

depmod и компания

В моей папке /lib/modules/2.4.20-gaming-r1/, есть несколько
файлов которые начинаются со строки «modules.»:

$ ls /lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.*
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.dep
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.generic_string
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.ieee1394map
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.isapnpmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.parportmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.pcimap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.pnpbiosmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.usbmap

Эти файлы содержат множество информации о различных зависимостях. В том числе, они содержат информацию о зависимостях для модулей — некоторые модули требуют загрузки других модулей перед тем как быть запущенными.

Как получить модули

Некоторые модули ядра разработаны для работы со специальными устройствами, как например emu10k1 — модуль для поддержки моей звуковой карты. Для этого типа модулей, приведенные выше файлы включают также информацию о PCI IDs и прочие идентификационные метки оборудования, которое они поддерживают. Эта информация может быть использована различными скриптами, например «hotplug» (который мы рассмотрим в следующих руководствах) для автоматического определения оборудования и загрузки соответствующих модулей.

Использование depmod

Информация о зависимостях может становиться не актуальной, особенно в случае установки новых модулей. Чтобы ее обновить, просто введите depmod -a. Программа depmod просканирует модули из вашей папки /lib/modules и обновит информацию о зависимостях. Она делает это сканируя модули в /lib/modules и проверяя так называемые «symbols» внутри модулей.

Расположение модулей ядра

Итак, как выглядят модули ядра? Для ядра 2.4, все файлы модулей обычно находятся в /lib/modules и имеют имя оканчивающееся на «.o» (для 2.6 «.ko» — прим. ред.). Чтобы увидеть все модули из /lib/modules, введите следующее:

# find /lib/modules -name ‘*.o’
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/misc/vmmon.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/misc/vmnet.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/video/nvidia.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/fat/fat.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/vfat/vfat.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/minix/minix.o
[список обрезан для краткости]

insmod vs. modprobe

Итак, как же подгрузить модуль в работающее ядро? Один из вариантов, использовать команду
insmod и указать ей полный путь к модулю, который вы хотите загрузить:

Хотя, обычно модули загружают используя команду modprobe. Одна из приятных вещей, которую делает modprobe это автоматическая загрузка всех необходимых зависимостей для данного модуля. Кроме того, вам не нужно указывать полный путь и расширение загружаемого модуля.

rmmod и modprobe в действии

Давайте выгрузим наш модуль fat.o и загрузим его обратно используя modprobe:

Как видите, работа команды rmmod очень похожа на работу modprobe, но имеет противоположный эффект — она выгружает указанный модуль.

Ваши помощники modinfo и modules.conf

Можете воспользоваться командой modinfo, чтобы узнать пару интересных вещей о своих любимых модулях:

Также обратите внимание на файл /etc/modules.conf. Он содержит настройки для modprobe и позволяет изменять поведение modprobe. Например, указывать какие модули загруть до/после загрузки остальных, запускать скрипты до и после загрузки модуля, и многое другое.

Структура modules.conf

Синтаксис и функциональность modules.conf достаточно сложны, и мы не будем в них сейчас углубляться (наберите man modules.conf чтобы узнать все подробности), но есть несколько вещей, которые вы должны знать об этом файле.

Во-первых, многие дистрибутивы генерируют этот файл автоматически из набора файлов в других директориях, таких как /etc/modules.d/. Например, в Gentoo Linux есть такая папка, и запуск команды update-modules прочитает все файлы из /etc/modules.d/ и объединит их в новый /etc/modules.conf. Поэтому, сделав свои изменения в файлах из /etc/modules.d/ запустите update-modules, если вы используете Gentoo. В Debian, процедура очень похожа, за исключением того, что папка называется /etc/modutils/.

Для ядер версии 2.6 аналогичные по функциональности файл и папка из каталога etc называются modprobe.conf и modprobe.d соответственно. Синтаксис там упрощен, смотрите man modprobe.conf
— Примечание редактора.

Итоги и ресурсы

Итоги

Мои поздравления; вы дошли до конца этого учебника по основам администрирования Linux! Надеюсь он помог вам немного систематизировать ваши знания о Linux. Пожалуйста присоединяйтесь к нам в следующем руководстве раскрывающем более продвинутые аспекты администрирования, такие как права доступа, управление пользователями, файловую систему, монтирование и многое другое. В следующем руководстве мы будем опираться на фундамент, заложенный здесь. И помните, продолжая изучать эту серию руководств, вы уже совсем скоро будете готовы сдаче экзаменов на получение сертификата LPIC Level 1 от Linux Professional Institute.

Ресурсы

Говоря о сертификации LPIC, если вы действительно в ней заинтересованы, то я настоятельно рекомендую вам изучить следующие источники, которые были тщательно выбраны для расширения знаний полученных в этом руководстве.

В сети есть множество хороших руководств по регулярным выражениям. Вот парочка:

Можете прочитать стандарт иерархии файловой системы (Filesystem Hierarchy Standard) на http://www.pathname.com/fhs/.

В серии Bash в примерах (будет перевод), я покажу вам как использовать инструкции bash для написания ваших собственных скриптов. Это серия (особенно первая и вторая части) будет хорошей подготовкой к экзамену LPIC Level 1:

Вы можете узнать больше о sed в серии руководств Sed в примерах (будет переведено). Если вы планируете сдавать LPI экзамен, убедитесь что прочитали первые две части этой серии.

Чтобы узнать больше об awk, обратитесь к серии Awk в примерах (перевод будет).

Если вы не знакомы с редактором vi, Я настоятельно рекомендую вам посмотреть мое руководство Vi — the cheat sheet method. Этот учебник станет легким, но и стремительным введением в этот мощный текстовый редактор. Считайте, что это материал необходимый к прочтению, если вы не знаете как пользоваться vi.

Спасибо Dmitry Minsky (Dmitry.Minsky@gmail.com) за перевод.

Об авторах

Daniel Robbins

Дэниэль Роббинс — основатель сообщества Gentoo и создатель операционной системы Gentoo Linux. Дэниэль проживает в Нью-Мехико со свой женой Мэри и двумя энергичными дочерьми. Он также основатель и глава Funtoo, написал множество технических статей для IBM developerWorks, Intel Developer Services и C/C++ Users Journal.

Chris Houser

Крис Хаусер был сторонником UNIX c 1994 года, когда присоединился к команде администраторов университета Тэйлора (Индиана, США), где получил степень бакалавра в компьютерных науках и математике. После он работал во множестве областей, включая веб-приложения, редактирование видео, драйвера для UNIX и криптографическую защиту. В настоящий момент работает в Sentry Data Systems. Крис также сделал вклад во множество свободных проектов, таких как Gentoo Linux и Clojure, стал соавтором книги The Joy of Clojure.

Aron Griffis

Эйрон Гриффис живет на территории Бостона, где провел последнее десятилетие работая в Hewlett-Packard над такими проектами, как сетевые UNIX-драйвера для Tru64, сертификация безопасности Linux, Xen и KVM виртуализация, и самое последнее — платформа HP ePrint. В свободное от программирования время Эйрон предпочитает размыщлять над проблемами программирования катаясь на своем велосипеде, жонглируя битами, или болея за бостонскую профессиональную бейсбольную команду «Красные Носки».

Источник

Что такое ядро Linux

Ядро Linux содержит более 13 миллионов строк кода и является одним из самых крупных проектов с открытым исходным кодом в мире. Так что такое ядро Linux и для чего оно используется?

Что такое ядро Linux?

Ядро — это самый низкий уровень программного обеспечения, которое взаимодействует с аппаратными средствами компьютера. Оно отвечает за взаимодействие всех приложений, работающих в пространстве пользователя вплоть до физического оборудования. Также позволяет процессам, известным как сервисы получать информацию друг от друга с помощью системы IPC.

Виды и версии ядра

Что такое ядро Linux вы уже знаете, но какие вообще бывают виды ядер? Есть различные способы и архитектурные соображения при создании ядер с нуля. Большинство ядер могут быть одного из трех типов: монолитное ядро, микроядро, и гибрид. Ядро Linux представляет собой монолитное ядро, в то время как ядра Windows и OS X гибридные. Давайте сделаем обзор этих трех видов ядер.

Микроядро

Микроядра реализуют подход, в котором они управляют только тем, чем должны: процессором, памятью и IPC. Практически все остальное в компьютере рассматривается как аксессуары и обрабатывается в режиме пользователя. Микроядра имеют преимущество в переносимости, они могут использоваться на другом оборудовании, и даже другой операционной системе, до тех пор, пока ОС пытается получить доступ к аппаратному обеспечению совместимым образом.

Микроядра также имеют очень маленький размер и более безопасны, поскольку большинство процессов выполняются в режиме пользователя с минимальными привилегиями.

Плюсы

• Портативность
• Небольшой размер
• Низкое потребление памяти
• Безопасность

Минусы

• Аппаратные средства доступны через драйверы
• Аппаратные средства работают медленнее потому что драйверы работают в пользовательском режиме
• Процессы должны ждать свою очередь чтобы получить информацию
• Процессы не могут получить доступ к другим процессам не ожидая

Монолитное ядро

Монолитные ядра противоположны микроядрам, потому что они охватывают не только процессор, память и IPC, но и включают в себя такие вещи, как драйверы устройств, управление файловой системой, систему ввода-вывода. Монолитные ядра дают лучший доступ к оборудованию и реализуют лучшую многозадачность, потому что если программе нужно получить информацию из памяти или другого процесса, ей не придется ждать в очереди. Но это и может вызвать некоторые проблемы, потому что много вещей выполняются в режиме суперпользователя. И это может принести вред системе при неправильном поведении.

Плюсы:

• Более прямой доступ к аппаратным средствам
• Проще обмен данными между процессами
• Процессы реагируют быстрее

Минусы:

• Большой размер
• Занимает много оперативной памяти
• Менее безопасно

Гибридное ядро

Гибридные ядра могут выбирать с чем нужно работать в пользовательском режиме, а что в пространстве ядра. Часто драйвера устройств и файловых систем находятся в пользовательском пространстве, а IPC и системные вызовы в пространстве ядра. Это решение берет все лучшее из обоих предыдущих, но требует больше работы от производителей оборудования. Поскольку вся ответственность за драйвера теперь лежит на них.

Плюсы

• Возможность выбора того что будет работать в пространстве ядра и пользователя
• Меньше по размеру чем монолитное ядро
• Более гибкое

Минусы

• Может работать медленнее
• Драйверы устройств выпускаются производителями

Где хранятся файлы ядра?

Где находится ядро Linux? Файлы ядра Ubuntu или любого другого Linux-дистрибутива находятся в папке /boot и называются vmlinuz-версия. Название vmlinuz походит с эпохи Unix. В шестидесятых годах ядра привыкли называть просто Unix, в 90-х годах Linux ядра тоже назывались — Linux.

Когда для облегчения многозадачности была разработана виртуальная память, перед именем файла появились буквы vm, чтобы показать что ядро поддерживает эту технологию. Некоторое время ядро называлось vmlinux, но потом образ перестал помещаться в память начальной загрузки, и был сжат. После этого последняя буква x была изменена на z, чтобы показать что использовалось сжатие zlib. Не всегда используется именно это сжатие, иногда можно встретить LZMA или BZIP2, поэтому некоторые ядра называют просто zImage.

Нумерация версии состоит из трех цифр, номер версии ядра Linux, номер вашей версии и патчи или исправления.

В паке /boot можно найти не только ядро Linux, такие файлы, как initrd.img и system.map. Initrd используется в качестве небольшого виртуального диска, который извлекает и выполняет фактический файл ядра. Файл System.map используется для управления памятью, пока еще ядро не загрузилось, а конфигурационные файлы могут указывать какие модули ядра включены в образ ядра при сборке.

Архитектура ядра Linux

Так как ядро Linux имеет монолитную структуру, оно занимает больше и намного сложнее других типов ядер. Эта конструктивная особенность привлекла много споров в первые дни Linux и до сих пор несет некоторые конструктивные недостатки присущие монолитным ядрам.

Но чтобы обойти эти недостатки разработчики ядра Linux сделали одну вещь — модули ядра, которые могут быть загружены во время выполнения. Это значит что вы можете добавлять и удалять компоненты ядра на лету. Все может выйти за рамки добавления функциональных возможностей аппаратных средств, вы можете запускать процессы сервера, подключать виртуализацию, а также полностью заменить ядро без перезагрузки.

Представьте себе возможность установить пакет обновлений Windows без необходимости постоянных перезагрузок.

Модули ядра

Что, если бы Windows уже имела все нужные драйвера по умолчанию, а вы лишь могли включить те, которые вам нужны? Именно такой принцип реализуют модули ядра Linux. Модули ядра также известные как загружаемые модули (LKM), имеют важное значение для поддержки функционирования ядра со всеми аппаратными средствами, не расходуя всю оперативную память.

Модуль расширяет функциональные возможности базового ядра для устройств, файловых систем, системных вызовов. Загружаемые модули имеют расширение .ko и обычно хранятся в каталоге /lib/modules/. Благодаря модульной природе вы можете очень просто настроить ядро путем установки и загрузки модулей. Автоматическую загрузку или выгрузку модулей можно настроить в конфигурационных файлах или выгружать и загружать на лету, с помощью специальных команд.

Сторонние, проприетарные модули с закрытым исходным кодом доступны в некоторых дистрибутивах, таких как Ubuntu, но они не поставляются по умолчанию, и их нужно устанавливать вручную. Например, разработчики видеодрайвера NVIDIA не предоставляют исходный код, но вместо этого они собрали собственные модули в формате .ko. Хотя эти модули и кажутся свободными, они несвободны. Поэтому они и не включены во многие дистрибутивы по умолчанию. Разработчики считают что не нужно загрязнять ядро несвободным программным обеспечением.

Теперь вы ближе к ответу на вопрос что такое ядро Linux. Ядро не магия. Оно очень необходимо для работы любого компьютера. Ядро Linux отличается от OS X и Windows, поскольку оно включает в себя все драйверы и делает много вещей поддерживаемых из коробки. Теперь вы знаете немного больше о том, как работает ваше программное обеспечение и какие файлы для этого используются.

Источник