Этап запуска ядра

Источник: Описание процесса загрузки Linux фирмой «IBM» (англ.) + переведённая версия с того же сайта Подробности процесса загрузки Linux (рус.)

Функция запуска ядра (также называемая своппер или процесс 0) организует управление памятью (таблицы страниц и страничную организацию памяти), определяет тип процессора и дополнительные возможности (например, наличие математического сопроцессора), а затем переключается к архитектурно-независимому функционалу ядра Linux путём вызова start_kernel().

start_kernel() выполняет множество задач инициализации. Она настраивает обработчики прерываний (IRQ), затем настраивает память, запускает процесс init (первый процесс пользовательского режима), а затем запускает задачу бездействия вызовом cpu_idle(). Следует заметить, что процесс запуска ядра также монтирует инициирующий RAM-диск («initrd»), который ранее был загружен в роли временной корневой файловой системы в фазе загрузки. Это позволяет загружать модули драйверов, не опираясь на другие физические устройства и драйверы, и поддерживать небольшой размер ядра. Корневая файловая система впоследствии подменяется с помощью вызова pivot_root(), который размонтирует временную и заменяет её настоящей корневой ФС, как только последняя станет доступна. Использованная временной системой память затем освобождается.

Таким образом, ядро инициализирует устройства, монтирует указанную загрузчиком файловую систему в режиме «только чтение» и запускает процесс init (/sbin/init), который обозначается как первый процесс, запущенный системой (с идентификатором процесса PID = 1).^[1] Соответствующие сообщения выводит ядро (при монтировании файловой системы) и init (при запуске одноименного процесса). Ядро также может выполнить initrd для обработки настроек и инициализации устройств до монтирования корневой файловой системы.^[1]

По заявлению компании «Red Hat», детали процесса загрузки на этом этапе можно подытожить так:^[2]

Когда загружается ядро, оно сразу же инициализирует и конфигурирует память компьютера и настраивает различное подключённое к системе оборудование, включая все процессоры, подсистемы ввода-вывода и устройства хранения данных. Затем оно ищет сжатый образ initrd в заранее определённом участке памяти, распаковывает его, монтирует и загружает все необходимые драйверы. Затем оно инициализирует виртуальные устройства, связанные с файловой системой, например LVM или программные RAID-массивы, прежде чем демонтировать образ диска initrd и освободить всю память, ранее занимаемую образом. Потом ядро создает корневое устройство, монтирует корневой раздел только для чтения и освобождает всю неиспользованную память. К этому времени ядро загружено в память и работоспособно. Тем не менее, поскольку нет пользовательских программ для осуществления осмысленного ввода данных в систему, с ней мало что можно делать.

Теперь, когда включены прерывания, диспетчер может принять общее управление системой, чтобы обеспечить вытесняющую многозадачность, а процесс init остается продолжать загрузку пользовательского окружения в пространстве пользователя.

Процесс init (только типа UNIX System V)

Init является родителем всех процессов. Его главная задача — создавать процессы по сценарию из файла /etc/inittab. В этом файле обычно содержатся записи, указывающие init породить getty для каждой линии, по которой пользователи могут входить в систему. Он также контролирует автономные процессы, требуемые какой-либо системе. Уровень выполнения — программная конфигурация системы, которая позволяет существовать только заданной группе процессов. Процессы, порождаемые init на каждом из таких уровней выполнения, определяются в файле /etc/inittab.[6]

По сути init организует и поддерживает всё пользовательское пространство, что включает в себя также проверку и монтирование файловых систем, запуск нужных пользовательских служб и, переключение в пользовательскую среду, когда запуск системы завершится. Он похож на процессы init в Unix и BSD, от которых произошёл, но в некоторых случаях он изменён или переделан. В обычной системе Linux init имеет параметр, известный как уровень выполнения, принимающий значения от 1 до 6 и определяющий, какие подсистемы следует включить. Для каждого уровня выполнения есть собственные сценарии, которые регламентируют различные процессы, участвующие в установлении или снятии данного уровня, и именно эти сценарии считаются необходимыми для процесса загрузки. Сценарии init обычно хранятся в каталогах с именами вида /etc/rc…. Главный файл конфигурации уровней для init — /etc/inittab.^[7]

Во время загрузки системы он проверяет, описан ли уровень по умолчанию в /etc/inittab, а если же нет — запрашивает его через системную консоль. Затем он продолжает выполнять все соответствующие сценарии загрузки для этого уровня, включая загрузку модулей, проверку целостности файловой системы (которая монтировалась только для чтения), перемонтирование её для чтения-записи и настройку сети.^[1]

В частности, по сообщению Red Hat, процесс init следует такой схеме:^[2]

1. Он просматривает сценарий sysinit, который "устанавливает путь к среде, запускает swap, проверяет файловые системы и делает всё, что необходимо для инициализации системы. Это, в частности, системные и аппаратные часы, специальные процессы для последовательного порта и т. п.
2. Затем init просматривает конфигурацию, указанную для заданного уровня выполнения.
3. После этого init устанавливает исходную библиотеку функций для системы. Это определяет, как следует запустить или снять программу и как определить её PID.
4. Затем он запускает все предусмотренные процессы и создает сессию входа пользователя в систему.

После того, как он породил все заданные процессы, init переходит в режим ожидания и ждет одного из трёх событий:

1. Нормального или аварийного завершения порождённых процессов.
2. Сигнала аварии питания.
3. Запроса от /sbin/telinit на изменение уровня выполнения.^[6]

Это относится к программе init в стиле UNIX System V. Другие программы init могут вести себя иначе.

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью без участия центрального процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование т. н. «пакетного» (burst) режима работы шины — 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена.

В оригинальной архитектуре IBM PC (шина ISA) был возможен лишь при наличии аппаратного DMA-контроллера (микросхема Intel 8237).

DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора. Контроллер содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи. Регистры контроллера задают порт (который должен быть использован), направление переноса данных (чтение/запись), единицу переноса (побайтно/пословно), число байтов, которое следует перенести.

ЦП программирует DMA-контроллер, устанавливая его регистры. Затем процессор даёт команду устройству (например, диску) прочитать данные во внутренний буфер. DMA-контроллер начинает работу, посылая устройству запрос чтения (при этом устройство даже не знает, пришёл ли запрос от процессора или от контроллера DMA). Адрес памяти уже находится на адресной шине, так что устройство знает, куда следует переслать следующее слово из своего внутреннего буфера. Когда запись закончена, устройство посылает сигнал подтверждения DMA-контроллеру. Затем контроллер увеличивает используемый адрес памяти и уменьшает значение своего счётчика байтов. После чего запрос чтения повторяется, пока значение счётчика не станет равно нулю. По завершении цикла копирования устройство инициирует прерывание процессора, означающее завершение переноса данных.

Контроллер может быть многоканальным, способным параллельно выполнять несколько операций.

Содержание

• 1 Захват шины (bus mastering)
• 2 DMA и виртуальная память, IOMMU и AGP GART
• 3 DMA и IDE/ATA, Ultra DMA
• 4 Режимы Ultra DMA протокола ATA для ОС Linux

Захват шины (bus mastering)

В шинах MicroChannel, SBus, разработанной под их большим влиянием PCI и её концептуальных производных AGP и PCI-X, используется иная реализация DMA. Эти шины позволяют любому устройству заявить о возникновении потребности к захвату шины, таковая потребность удовлетворяется т. н. арбитром при первой возможности. Устройство, успешно осуществившее захват шины, самостоятельно выставляет на шину сигналы адреса и управления и исполняет в течение какого-то времени ту же ведущую роль на шине, что и ЦП. Доступ ЦП к шине при этом кратковременно блокируется.

В такой реализации DMA не существует DMA-контроллера, а также номера входа DMA-контроллера.

Некоторые старые устройства PCI, а именно, реализации звуковых карт семейства Sound Blaster, использовали тот же DMA-контроллер 8237 из оригинальной архитектуры IBM PC. Такое использование является, безусловно, устаревшим для PCI, но поддерживалось с целью обеспечить полную совместимость по ПО и драйверам с версиями Sound Blaster для шины ISA.

Данная поддержка называется Distributed DMA (D-DMA) и реализована аппаратным образом как в устройстве, так и в логике моста PCI-ISA, в которой на PCI-системах размещена и логика оригинального IBM PC DMA контроллера 8237. Реализация включает в себя 2 запроса: сначала от устройства мосту PCI-ISA, затем от моста основной памяти.

Кроме упомянутых реализаций Sound Blaster, практически никакие устройства PCI не используют понятие «номер входа DMA-контроллера», как и 8237 вообще.