Www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 1 Linux kernen Monolithic kernel Support for dynamiske moduler Få kerne tråde Preemptive.

Præsentationer af emnet: "Www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 1 Linux kernen Monolithic kernel Support for dynamiske moduler Få kerne tråde Preemptive."— Præsentationens transcript:

1 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 1 Linux kernen Monolithic kernel Support for dynamiske moduler Få kerne tråde Preemptive kerne

2 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 2 Linux kerne struktur.

3 OPS struktur. HW CPU DISK USB Ethernet Memory kernel Memory management FilsystemDevice driver Protokolstak OPS APP Supervisor mode User mode System kald Kald af OPS.-funktion. Fx fopen() Trap Applikationsprogram

4 Systemkald - Linux OPS APP ENTRY(sys_call_table).long sys_restart_syscall.long sys_exit.long sys_fork....long sys_mitkald #define __NR_exit 1 #define __NR_fork 2... #define __NR_mitkald 290 #include asmlinkage int sys_mitkald (int arg1, char* arg2) { // Kode } #include main() { mitkald(1, "hi"); } _syscall2(int, mitkald, int, arg1, char*, arg2); /usr/src/linux/arch/i386/kernel/syscall_table.S

5 Systemkald - Linux OPS APP #include asmlinkage int sys_mitkald (int arg1, char* arg2) { // Kode } #include _syscall2(int, mitkald, int, arg1, char*, arg2); main() { mitkald(1, "hi"); } mitkald:.... Int $0x80.... ISR: 80 System_call..... Call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4).......

6 Nyt systemkald i Linux 1.Tilføj entry i sys_tcall_table : /usr/src/linuxXXXX/arch/i386/kernel/syscall_table.S 2.Define systemkald nr. i: /usr/src/linuxXXXX/include/asm-i386/unistd.h 3.Skriv kode til kaldet fx i: mitkald.h og mitkald.c. H- filen placeres typisk i: /usr/src/linuxXXXX/include/linux/ eller /usr/src/linuxXXXX/include/asm/ C-filen placeres typisk i: /usr/src/linuxXXXX/ipc/ eller /usr/src/linuxXXXX/fs/.... 4.Modificer Makefilen i det dir du placere din kode i. 5.Generer stubben vha macroen: _syscall2(int, myservice, int, arg1, char*, arg2); 6.Make ny kerne. Læs: /usr/src/linuxXXXX/README 7.Du kan nu anvende systemkaldet, den nye kerne er lavet. Fremgangsmåde:

7 OPS struktur. Monolitisk kerne HW CPU DISK USB Ethernet Memory kernel Memory management FilsystemDevice driver Protokolstak OPS APP System kald Supervisor mode User mode Linux/UNIX

8 OPS struktur. Micro kerne HWCPU DISKUSB EthernetMemory Ext. kernel Ext. Memory management Filsystem Device driver Protokolstak OPS APP Supervisor mode User mode Minimal kerne, mem.management og IPC Fx Mach, Amoeba

9 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 9 Linux kerne struktur.

10 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen Linux proces. En ressource enhed. Egen memory. Egen status for filer. Egen protection ID. Administrative data fx. Start tid, Forbrugt CPU-tid osv. Samt alle alm. ting, som egen stak, program status, CPU’registre, prioritet osv.

11 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen #include void slut () {printf(" -- Så er det slut\n"); exit(0);} int main (int argc, char *argv[]) { int status, pid; char kommando[80]; signal (SIGINT, slut); while (1) { printf("ppmshell>"); scanf("%s",kommando); pid = fork(); if (pid != 0) while(wait(&status) != pid); else execlp(kommando, (char *)NULL); }

12 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 12 Threads

13 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 13 Threads systemkald. int pthread_create (pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void), void *arg) ; Return 0 for OK ellers fejlkode. thread: Tråd ID. attr: Tråd attributter, hvis NULL så default. start_routine: Kode, der skal afvikles. arg: Evt. argumenter til koden. void pthread_exit (void *value_ptr); value_ptr: Værdi til joining tråde. Ofte NULL. int pthread_join (pthread_t thread, void **value_ptr); Return 0 for OK ellers fejlkode. Thread: Joining tråd ID. value_ptr: Værdi fra joining tråde.

14 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 14 Schedulering. Linux 1.Real-time FIFO. 2.Real-time Round Robin. 3.Alm. Threads og processer. Real-Time prioriteter 0 – 99. Kun SuperUser Alm. prioriteter 100 – 139. Default 120 ( nice ) nice(0) ~ 120 (Default). nice(1) – nice(19) : Nedprioritering fx baggrunds job. nice(-1) – nice(-20) : Kun SuperUser.

15 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 15 Schedulering af alm. threads og processer Tidskvant tilskrevet en proces/tråd, når den forrige er opbrugt: Tidskvant = (140 – Statisk prioritet) * 20 for Statisk prioritet < 120 (140 – Statisk prioritet) * 5 for Statisk prioritet >= 120 Dvs: nice(-20) ~ 800 mS, nice(0) ~ 100 mS nice(19) ~ 5 mS Dynamisk prioritet: Hvem skal til først ? Dyn. prioritet = max(100, min(sta. prioritet – bonus + 5, 139))

16 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 16 Threads systemkald. void pthread_yield(); int pthread_setschedparam(thread,schedpolicy,schedparam); void *traad(void *threadid) { // noget kode } pthread_t th; struct sched_param param; if ((rc= pthread_create(&th, NULL, traad, (void *)0))) { cout << "ERROR – code: " << rc <<'\n'; exit(-1); } param.sched_priority= sched_get_priority_min(SCHED_RR)+1; pthread_setschedparam(th, SCHED_RR, &param);

17 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 17 Linux kerne struktur.

18 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen Memory management Sikre beskyttelse af memory. Løse relocations problemet. Sikre ''ubegrænset memory'' God udnyttelse. Transparent for programmøren.

19 Memory management. Løsning: Virtuel memory Kræver ekstra Hardware, nemlig: Memory Management Unit (MMU) Alle alm. CPU’ere har en tilhørende MMU. Pentium. M68XXX Sparc

20 Virtuel memory.

21 Virtuel memory: Paging. Oversættelse fra Virtuelle adresser til Fysiske adresser findes i en: Page tabel.

22

23 Multi level page tabel. Second-level page tables Top-level page table

24 Linux’s virtuelle adr.område. Kernel space User space 0x0000 0000 0xFFFF FFFF 1 GB 2 GB 0xC000 000

25 Linux’s måde. Virtuel adr. 32 bit. PD offset 10 bit PF offset 10 bit Frame offset 12 bit cr3 PD tabel + + + Fysisk adresse.

26 MMU tabel. TLBs – Translation Lookaside Buffers

27 Page fault. Problem: Hvis den fysiske memory er fuld, hvem skal så fjernes. Fjern ikke en side, der skal bruges hurtigt igen. Modificerede sider skal gemmes. Ikke modificerede sider kan blot overskrives. Metode: Page Replacement Algoritmer.....

28 Page Replacement Algoritmer. Den optimale algoritme: Fjern den side, som for hvilken det gælder, at det varer længst tid, inden den skal bruges. --- Kan ikke realiseres....

29 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 29 Linux kerne struktur.

30 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen Håndtering af Hardware Device drivere. Software moduler der håndterer Hardware fx I/O. Ofte dynamisk loadable. Bliver afvikler i Supervisor mode - Kernel space. Kan kun anvende de, af kernel exporterede, funktioner. Skal udvikles til en bestemt kerne version.

31 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 31 Device-Independent. Protections. Major nr: x Minor nr: y /dev/MinDriver Min driver ttys Protections. Major nr: 3 Minor nr: 48 /dev/ttys0 Protections. Major nr: 3 Minor nr: 49 /dev/ttys1 fd= open(”/dev/MinDriver”,..); read(fd,..); write(fd,..); Nr: x Nr: 3 Operativsystem Applikation

32 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 32 Device-Independent. mknod /dev/MinDevice c 121 0 chmod 666 /dev/MinDevice Oprettelse af device fil: Character devices: 1 mem 2 pty 3 ttyp 4 ttyS 6 lp 7 vcs 10 misc 13 input 14 sound 21 sg 180 usb /proc/devicesMajor numre: 60 to 63, 120 to 127, 240 to 253 er reserveret for eksperimentelt brug.

33 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 33 Loadable kernemoduler. #include module_init(device1_init); module_exit(device1_exit); make -C /usr/src/linux M='pwd' modules mod1.ko insmod mod1.ko APP OPS rmmod mod1

34 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 34 Hjemmelavet device driver 1.Skriv et kernemodul, der implementerer devicen. Major= register_chrdev(0,”MinDriver”,&fops); Plus meget mere. 2.Indsæt modul i kernen. insmod MinDriver.ko 3.Lav en devicefil mknod –m 664 MinDevice c Major 7

35 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 35 Hjemmelavet device driver static int device1_init(void) { int res; device1_cdev = cdev_alloc( ); device1_cdev->ops = &device1_fops; if (device1_major) { res = register_chrdev_region(dev, device1_nr_devs, "device1"); } else { res = alloc_chrdev_region(&dev, device1_minor, 1, "device1"); device1_major = MAJOR(dev); } if (res < 0) { return res;} else printk(KERN_INFO "device1: major number %d\n",device1_major); cdev_init(device1_cdev, &device1_fops); cdev_add (device1_cdev, dev, device1_nr_devs); printk(KERN_INFO "Inserting device1 module\n"); return 0; } static void device1_exit(void) { unregister_chrdev_region(dev, device1_nr_devs); }

36 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 36 Hjemmelavet device driver int device1_open( struct inode *inode, struct file *filp); int device1_release(struct inode *inode, struct file *filp); ssize_t device1_read( struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos); ssize_t device1_write(struct file *filp,const char *buf,size_t count,loff_t *f_pos); struct file_operations device1_fops = {.read= device1_read,.write= device1_write,.open= device1_open,.release= device1_release }; ssize_t device1_read( struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { copy_to_user(buf,memory_buffer,count); return count; } ssize_t device1_write(struct file *filp,const char *buf,size_t count,loff_t *f_pos) { copy_from_user(memory_buffer,buf,count); return 1; }

37 www.control.aau.dk/~ppmwww.control.aau.dk/~ppm Per Printz Madsen 37 Hjemmelavet devicedriver #include int check_region(unsigned long start, unsigned long len); struct resource *request_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name); void release_region(unsigned long start, unsigned long len); unsigned char inb(unsigned short port); void outb(unsigned char byte, unsigned short port); unsigned short inw(unsigned short port); void outw(unsigned short word, unsigned short port);

38 Simpel character devicedriver x x x Controler: UART Status Data Control Systenkald Applikation Operativsystem Output kald. ISR RTE If NoOfChInBuf = BufSize Wait(OutSem); putbuf(ch); If NoOfChInBuf > 0 Åben for IRQ Data =getbuf(); If NoOfChInBuf < 2/3*BufSize og sender har kaldt Wait() så signal(OutSem); If NoOfChInBuf = 0 Luk for IRQ. x

39 FIFO kø: Ringbuffer #define BufSize 128 char ringbuf[BufSize]; int InPtr=0, UdPtr=0, NoOfChInBuf=0; void enable() {asm("STI");} void disable() {asm("CLI");} void PutBuf(char ch) { disable(); ringbuf[InPtr]= ch; if (BufSize <= ++InPtr) InPtr= 0; ++ NoOfChInBuf enable(); } char GetBuf() { char ch disable(); if (NoOfChInBuf > 0) { ch= ringbuf[UdPtr]; NoOfChInBuf--; if (BufSize <= ++UdPtr) UdPtr= 0; } enable(); return ch; }

40 Eks. på brug af char device driver #include #include #include #include #include main() { int fd, res, stop= 0; struct termios oldtio, newtio; char buf[255]; fd = open("/dev/ttyS1", O_RDWR | O_NOCTTY ); tcgetattr(fd,&oldtio); /* save current port settings */ bzero(&newtio, sizeof(newtio)); newtio.c_cflag = B38400 | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD; newtio.c_iflag = IGNPAR; newtio.c_oflag = 0; /* set input mode (non-canonical, no echo,...) */ newtio.c_lflag = 0; newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* inter-character timer unused */ newtio.c_cc[VMIN] = 5; /* blocking read until 5 chars received */ tcflush(fd, TCIFLUSH); tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio); while (!stop) { res = read(fd,buf,255); /* returns after 5 chars have been input */ } tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio); close(fd); }