LinuxhayGNU/LinuxvàcấutrúcnhânLinux I.Tóm tắt lịch sử LinuxLinuxhay GNU/Linux? Khi thì người ta gọi “hệ điều hành Linux”, lúc lại gọi là “hệ điều hành GNU/Linux”. Lí do là vì Linux thực ra là phần nhân của hệ điều hành. Nhiều các ứng dụng khác bổ xung kết hợp với nhânLinux làm thành một hệ điều hành sử dụng được, các ứng dụng đó phần lớn là phần mềm GNU. Vì vậy nhiều người coi gọi “hệ điều hành GNU/Linux” là đúng, còn tên Linux dùng để chỉ phần nhân của hệ điều hành đó. GNU là các phần mềm của GNU Project, được gọi là GNU packages or GNU programs. Các thành phần chính gồm: bộ dịch GNU Compiler Collection (GCC), các công cụ mã nhị phân GNU Binary Utilities (binutils), lớp vỏ bash shell, thư viện C GNU C library (glibc), và các công cụ lõi GNU Core Utilities (coreutils). (GNU Project cũng có dự án làm phần nhân hệ điều hành nhưng chưa xong. Vì vậy hiện nay các hệ điều hành mà ta vẫn gọi là Linux dùng nhânLinux của Linus Tovarlds kết hợp với các gói phần mềm nói trên của GNU Project. Do đó gọi hệ điều hành GNU/Linux thì hợp lý hơn – lời ND) GNU là tên tắt đệ quy của GNU’s Not Unix: thiết kế phần mềm giống Unix nhưng là phần mềm tự do (free software) và không chứa mã Unix. Tóm tắt lịch sử Trong khi hiện nay Linux khá phổ biến thì lịch sử của nó lại khá mới. Thời kỳ bình minh của máy tính, các nhà lập trình viết chương trình cho phần cứng bằng ngôn ngữ của phần cứng đó. Do chưa có hệ điều hành nên chỉ một ứng dụng (và một user) có thể dùng một phần cứng lớn và đắt tiền tại một thời điểm. Đến 1950 mới bắt đầu có những hệ điều hành sơ khai. Trong những năm 60, học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và một số công ty kết hợp xây dựng một hệ điều hành thí nghiệm gọi là Multics (Multiplexed Information and Computing Service) cho máy tính GE-645. Một trong những công ty đó, AT&T, bỏ Multics và xây dựng hệ điều hành riêng của mình vào năm 1970 gọi là hệ Unics. Cùng với Unics, ngôn ngữ lập trình C cũng được phát triển và được dùng để viết hệ điều hành sao cho nó không phụ thuộc vào kiến trúc phần cứng. Hai mươi năm sau, Andrew Tanenbaum tạo nên một phiên bản vi nhân (microkernel) của Unix dùng để chạy trên các máy tính cá nhân nhỏ gọi là hệ MINIX (minimal UNIX). Đó là hệ điều hành nguồn mở đầu tiên tạo cảm hứng cho Linus Torvalds xây dựng nên Linux vào đầu những năm 90. Hình 1: Lịch sử các phiên bản nhânLinuxTrục đứng là số dòng lệnh, trục ngang là thời điểm công bố. Phiên bản đầu 0.11 (tháng12/1991) có 10.239 dòng lệnh. Phiên bản 2.6.0 (tháng12/2003) có gần 6 triệu dòng lệnh. Linux phát triển nhanh từ dự án của một người thành một dự án lập trình toàn cầu gồm hàng nghìn nhà lập trình. Một trong những quyết định quan trọng nhất của Linux là nó chấp nhận tuân theo giấy phép phần mềm nguồn mở GPL (GNU General Public License). Giấy phép đó tránh cho nhânLinux không bị khai thác thương mại và cũng cho phép nó kết hợp được với các ứng dụng của GNU Project. II.Giới thiệu nhânLinux Một hệ điều hành GNU/Linux có thể phân thành hai vùng: vùng người dùng (User Space) gồm các thư viện C và các phần mềm ứng dụng (soạn văn bản, …); vùng nhân (Kernel Space) gồm ba thành phần chính như hình 2. Trên cùng là lớp các ứng dụng của người dùng (User Applications). Bên dưới là lớp các thư viện C (GNU C Library). Lớp thư viện phục vụ cho giao diện các lời gọi hệ thống tạo liên kết giữa các ứng dụng vànhân Linux. Giao diện này quan trọng vì nhânLinuxvà các ứng dụng chiếm các vùng địa chỉ bộ nhớ được bảo vệ khác nhau. Mỗi ứng dụng có vùng địa chỉ ảo riêng còn nhân có một vùng địa chỉ duy nhất. NhânLinux có thể chia thành ba lớp. Trên cùng là giao diện các lời gọi hệ thống thực hiện các chức năng cơ bản như đọc, ghi. Bên dưới là phần mã nhân hệ điều hành (kernel code) hoặc chính xác hơn là mã nhân độc lập với kiến trúc vi xử lý (processor). Các mã lệnh trong lớp này dùng chung cho mọi loại processor mà Linux hỗ trợ. Lớp dưới cùng là các mã lệnh phụ thuộc vào kiến trúc từng loại processor (x86, x86-64, …). III. Các hệ thống con chính của nhânLinux Hình 3 dưới đây mô tả các hệ thống con chính của nhân Linux. Hình 3: Các hệ thống con chính của nhânLinux III.1Nhân là gì? Như hình 3, nhânLinux thực ra là bộ quản lý các tài nguyên. Các tài nguyên gồm: các tiến trình (process), bộ nhớ (memory) và thiết bị phần cứng. NhânLinux quản lý các tài nguyên đó và là người điều hành việc truy cập tài nguyên đồng thời của nhiều user. (User trong bài này được hiểu theo nghĩa rộng bao gồm tất cả những gì có nhu cầu sử dụng tài nguyên hệ thống: các tiến trình, các phần mềm, v.v….) III.2Giao diện lời gọi hệ thống (System call interface - SCI) SCI thực hiện các lời gọi hệ thống từ vùng ứng dụng vào nhân Linux. Giao diện này độc lập với kiến trúc bộ vi xử lý ngay cả trong cùng một họ vi xử lý. SCI có thể thực hiện các dịch vụ gọi hàm dồn kênh và tách kênh. III.3 Quản lý các tiến trình (Process management hay Process Scheduler) Quản lý tiến trình đảm bảo việc thực hiện các tiến trình. Trong vùng nhân Linux, mỗi tiến trình được gọi là một mạch lệnh (thread) và được thể hiện thành một vi xử lý ảo (gồm mã lệnh, dữ liệu, các ngăn xếp và các thanh ghi của CPU). Trong vùng ứng dụng thì chỉ dùng từ tiến trình mặc dù Linux không phân biệt hai khái niệm này (threads và processes). Nhân cung cấp một giao diện lập trình ứng dụng (API) để: tạo tiến trình mới (fork, exec hoặc các hàm POSIX), ngừ ng tiến trình (kill, exit) và thông tin, đồng bộ giữa các tiến trình (signal hoặc các cơ cấu POSIX). Quản lý tiến trình còn dùng để chia sẻ CPU giữa các mạch lệnh đang hoạt động. Nhân thực hiện một thuật toán lập lịch cố định bất kể đến các mạch lệnh đang tranh chấp quyền sử dụng CPU. Lịch này cũng hỗ trợ cả chế độ đa xử lý đối xứng (Symmetric MultiProcessing – SMP). SCHED được chia thành 4 module 1. Module luật định thời (scheduling policy): chịu trách nhiệm phân xử xem process nào được quyền truy xuất CPU. Hệ thống hoạt động có thông suốt hay không nhờ vào bộ luật này, tránh trường hợp 1 process lợi dụng sơ hở của điều luật mà chiếm thời gian hệ thống qua nhiều làm các process khác bị đóng băng (freeze) 2. Module phụ thuộc kiến trúc (architeture-specific): module này gồm các code assembly phụ thuộc vào mỗi loại CPU dùng để suspend hay assume process. 3. Module độc lập kiến trúc (architeture-independent): module gọi các hàm từ module phụ thuộc kiến trúcvà module luật để switch giửa các process đồng thời nó còn gọi các hàm ở MM để thiết lập virtual memory cho các process được resume. Nên nhớ module phụ thuộc kiến trúc sẽ khác nhau ở mỗi loại CPU (ỉ386, apha, v.v) nhưng module độc lập kiến trúc thì không đổi kĩ thuật này ai lập trình hướng đối tượng sẽ biết nó là abstract(trong cùng phiên bản hệ điều hành, architecture-independent dù cài ở các máy khác nhau cũng vẫn giống nhau. Điều này cho phép mang ổ cứng cài HĐH Linux máy này, cắm qua máy khác nó vẫn tương thích mà không cần phải cài đặt lại, ưu điểm so với kennel XP) 4. Module hàm gọi hệ thống (system call). Gồm các hàm mà user có thể dùng để tương tác với SCHED. Ai lập trình Linuxvà Unix sẽ quen với các system call này. III.4 Quản lý bộ nhớ (Memory management). Một tài nguyên quan trọng khác mà nhânLinux quản lý là bộ nhớ. Để sử dụng bộ nhớ hiệu quả theo cách mà phần cứng quản lý bộ nhớ ảo, bộ nhớ được chia thành các trang (mỗi trang là 4KB đối với phần lớn loại vi xử lý). Linux có các cơ cấu quản lý lượng bộ nhớ khả dụng và các cơ cấu phần cứng để mapping giữa bộ nhớ vật lý và bộ nhớ ảo. Việc quản lý bộ nhớ còn làm nhiều hơn là chỉ quản lý các trang 4KB. Linux dùng một sơ đồ định vị lát (slab allocator) lên trên mỗi trang. Sơ đồ này dùng trang 4KB làm cơ sở nhưng tạo một cấutrúc bên trong, theo dõi trang nào đầy, trang nào mới dùng một phần, trang nào còn trống. Khi nhiều user sử dụng bộ nhớ, dung lượng có thể không đủ. Khi đó các trang nhớ được chuyển sang ổ cứng. Quá trình này được gọi là trao đổi (swapping) giữa bộ nhớ và ổ cứng. (chức năng này ở HĐH XP gọi là thiết lập RAM ảo để tăng tốc độ xử lí của máy tính, nhưng đồi với XP khi shutdown thì cần có 1 khoảng thời gian dài để giải phóng bộ nhớ lưu trữ trên HDD, nhưng ở Linux tiến trình này không cần phải tiến hành cài đặt mà đã tích hợp sẵn trong cơ chế hoạt động của bộ quản lý bộ nhớ. Khi đóng 1 ứng dụng có phần bô nhớ lưu trên HDD thì ngay lập tức phần HDD chứa dữ liệu tạm thời sẽ được giải phóng mà không phải chờ tới lúc shutdown) III.5 Hệ thống file ảo (Virtual file system) Hệ thống file ảo (VFS) là một khía cạnh hay của nhân Linux, cung cấp một giao diện trừu tượng hoá chung cho hệ thống file. VFS tạo nên một lớp chuyển đổi giữa SCI và các hệ thống file của Linux. Hình 4: VFS tạo nên một lớp chuyển đổi giữa user và các hệ thống file. Nằm trên cùng của VFS là lớp các API các chức năng như mở, đóng, đọc, viết file. Dưới cùng của VFS là lớp trừu tượng hệ thống file xác định các chức năng lớp trên thực hiện như thế nào. Đó là các plug-in đối với một hệ thống file cho trước (có trên 50 plug-in như vậy). (nhiệm vu cụ thể của VFS có thể định nghĩa như sau: khi một app yêu cầu tới hệ thống một tác vụ nào đó, nó không chỉ gởi requess mà còn gởi theo đó là các dữ liệu đẻ thực hiện tác vụ đó, VFS có nhiệm vụ trườu tượng hóa file d ữ liệu đó sao cho hệ thống hardware hiểu được app cần gì. VFS giúp giảm bớt bước xử lý để hiểu được yêu cầu của từng ứng dụng mà bước ngay vào đáp ứng cho tác vụ) Bên dưới lớp file hệ thống là bộ đệm cache (buffer cache) gồm các chức năng chung cho mọi hệ thống file (không phụ thuộc vào một kiểu hệ thống file riêng biệt nào). Lớp cache này tối ưu hoá việc truy cập vào các thiết bị vật lý bằng cách giữ dữ liệu trong một thời gian ngắn (hoặc đọc trước sao cho dữ liệu luôn có khi cần). Dưới bộ đệm cache là các driver thiết bị là giao diện của các thiết bị vật lý cụ thể. III.6 Các ngăn xếp mạng (Network stack) Các ngăn xếp mạng được thiết kế theo một kiến trúc lớp mô phỏng theo đúng kiến trúc lớp của các giao thức. Nhắc lại rằng IP là giao thức lớp mạng lõi nằm bên dưới giao thức vận chuyển (thường là TCP). Bên trên TCP là lớp socket được gọi đến qua SCI. Lớp socket là API chuẩn của hệ thống con network, tạo nên một giao diện cho các giao thức mạng khác nhau. Lớp socket quy định một cách quản lý kết nối và di chuyển dữ liệu chuẩn hoá giữa các điểm đầu cuối. III.7 Các driver thiết bị (Device drivers) Phần lớn mã nguồn của nhânLinux là các driver để điều khiển các thiết bị phần cứng. Cây thư mục của mã nguồn nhânLinux có một thư mục con driver trong đó có các thư mục con ứng với các thiêt bị khác nhau. III.8 Mã lệnh phụ thuộc kiến trúc vi xử lý (Architecture-dependent code) Phần lớn Linux độc lập với kiến trúc vi xử lý, nhưng cũng có những bộ phận cần phải theo đúng từng kiến trúc cụ thể để hoạt động được và hiệu quả. Thư mục con ./linux/arch chứa các mã nguồn phụ thuộc kiến trúc đó. Ví dụ với một máy trạm tiêu biểu, thư mục đó là i386, IV.Các đặc điểm đáng chú ý của nhânLinux Cùng với thời gian, nhânLinux đã sử dụng bộ nhớ và CPU ngày càng hiệu quả hơn và đặc biệt ổn định. Nhưng khía cạnh thú vị nhất của Linux là tính khả chuyển (portability) mặc dù kích cỡ lớn và độ phức tạp của nó. Linux có thể dịch để chạy trên rất nhiều loại processor và nền tảng phần cứng khác nhau đáp ứng các ràng buộc kiến trúcvà nhu cầu khác nhau. Một trong những ví dụ là Linux có thể chạ y trên một processor có bộ phận quản lý bộ nhớ hoặc không có bộ phận đó. Cổng uClinux của Linux hỗ trợ việc không có bộ phận quản lý bộ nhớ. Ngoài tính khả chuyển và hiệu quả, dưới đây là một vài đặc tính đáng chú ý khác của nhân Linux. Linux, với tư cách là một hệ điều hành nguồn mở, là nơi dùng để test các giao thức mới và những đặc điểm tiên phong của các giao thức đó. Linux hỗ trợ một số lớn giao thức mạng từ TCP/IP cho đến các giao thức mạng cao tốc (trên 1 Gigabit Ethernet – 1GbE – cho đến 10GbE). Linux cũng hỗ trợ các giao thức như SCTP (Stream Control Transmission Protocol) có nhiều đặc tính tiên tiến hơn TCP. Linux cũng là một kernel động, cho phép thêm bớt các thành phần phần mềm trong khi đang chạy. Các thành phần đó gọi là các module tải động được (dinamically loadable kernel modules) có thể được tải vào bộ nhớ khi boot (khi tìm thấy một phần cứng mới cần đến nó) hoặc tảivà rút ra khỏi bộ nhớ bất kỳ lúc nào bởi user. (Một ổ cứng đã cài Windows trên một máy, khi mang ổ cứng sang máy khác phải cài lại Windows. Ngược lại, một ổ cứng cài Linux có thể mang sang máy khác vẫn chạy tốt. Một ví dụ khác: các hệ Linux cài trên ổ USB boot được có thể cắm vào bất kỳ máy nào để chạy.). Một đặc tính mới của Linux gần đây là nó có thể dùng làm hệ điều hành cho các hệ điều hành khác (hypervisor). Kernel Linux gần đây đã được bổ xung tính năng máy ảo từ nhân (Kernel-based Virtual Machine – KVM). Tính năng này tạo ra một giao diện mới cho vùng người dùng, cho phép các hệ điều hành khác (Linux hoặc Windows) chạy trên KVM. Yêu cầu duy nhất là processor phải hỗ trợ tập lệnh ả o hoá mới. V.Tìm hiểu tiếp Trên đây ta mới chỉ lướt qua các nét chính của nhân Linux. Bạn đọc có nhu cầu nên tìm hiểu thêm chi tiết hơn trong danh sách các tàiliệu tham khảo cho dưới đây. . Linux hay GNU /Linux và cấu trúc nhân Linux I.Tóm tắt lịch sử Linux Linux hay GNU /Linux? Khi thì người ta gọi “hệ điều hành Linux , lúc lại. chính của nhân Linux. Hình 3: Các hệ thống con chính của nhân Linux III. 1Nhân là gì? Như hình 3, nhân Linux thực ra là bộ quản lý các tài nguyên. Các tài nguyên