Разработка ядра Linux

В серии 2.6 количество поддерживаемых аппаратных платформ было доведено до 20 за счет добавления платформ Motorola 68k бел устройства MMU, H8/300, IBM POWER, v850, x86-64 и версии ядра, которое работает на виртуальной машине под ОС Linux - Usermode Linux. Поддержка 64-разрядной s390 была объединена с 32- разрядной платформой s390, чтобы избежать дублирования.

Необходимо заметить, что каждая из этих аппаратных платформ поддерживает различные типы машин и микросхем. Некоторые из поддерживаемых аппаратных платформ, такие как ARM и PowerPC, поддерживают очень большое количество типов микросхем и машин. Поэтому, хотя ОС Linux и работает на 20 аппаратных платформах, она работает на гораздо большем количестве типов компьютеров!

Размер машинного слова и типы данных

Машинное слово (word) — это количество данных, которые процессор может обработать за одну операцию. Здесь можно применить аналогию документа, состоящего из символов (character, 8 бит) и страниц (много слов). Слово— это некоторое количество битов, как правило 16, 32 или 64. Когда говорят о "n-битовой" машине, то чаще всего имеют в виду размер машинного слова. Например, когда говорят, что процессор Intel Pentium — это 32-разрядный процессор, то обычно имеют в виду размер машинного слова, равный 32 бит, или 4 байт.

Размер процессорных регистров общего назначения равен размеру машинного слова этого процессора. Обычно разрядность остальных компонентов этой же аппаратной платформы в точности равна размеру машинного слова. Кроме того, по крайней мере для аппаратных платформ, которые поддерживаются ОС Linux, размер адресного пространства соответствует размеру машинного слова [92] . Следовательно, размер указателя равен размеру машинного слова. В дополнение к этому, размер типа long языка С также равен размеру машинного слова. Например, для аппаратной платформы Alpha размер машинного слова равен 64 бит. Следовательно, регистры, указатели и тип long имеют размер 64 бит. Тип int для этой платформы имеет размер 32 бит. Машины платформы Alpha могут обработать 64 бит — одно слово с помощью одной операции.

92

Размер адресуемой памяти может быть меньше максимального значения машинного слова. Например, для 64-разрядных аппаратных платформ размер указателя ранен 64 бит, однако только 48 бит можно использовать для адресации. В дополнение к этому, общее количество физической памяти может быть больше максимального значения машинного слова, как, например, это имеет место при наличии расширения Intel PAE..

Слова, двойные слова и путаница

Для некоторых операционных систем и процессоров стандартную порцию данных не называют машинным словом. Вместо этого, словом называется некоторая фиксированная порция данных, название которой выбрано случайным образом или имеет исторические корни. Например, в некоторых системах данные могут разбиваться на байты (byte — 8 бит), слова (word — 16 бит), двойные слова (double word — 32 бит) и четверные слова (quad word — 64 бит), несмотря на то что на самом деле система является 32-разрядной. В этой книге и вообще в контексте операционной системы Linux под машинным словом понимают стандартную порцию данных процессора, как обсуждалось ранее.

Для каждой аппаратной платформы, поддерживаемой операционной системой Linux, в файле <asm/types.h> определяется константа BITTS_PER_LONG, которая равна размеру типа long языка С и совпадает с размером машинного слова системы. Полный список всех поддерживаемых аппаратных платформ и их размеры машинного слова приведены в табл. 19.1.

Таблица 19.1. Поддерживаемые аппаратные платформы

Аппаратная платформа	Описание	Размер машинного слова
alpha	Digital Alpha	64 бит
arm	ARM и StrongARM	32 бит
cris	CRIS	32 бит
h8300	H8/300	32 бит
I386	Intel x86	32 бит
ia64	IA-64	64 бит
m68k	Motorola 68k	32 бит
m86knommu	m68k без устройства MMU	32 бит
mips	MIPS	32 бит
mips64	64-разрядная MIPS	64 бит
parisc	HP PA-RISC	32 бит, или 64 бит
ppc	PowerPC	32 бит
ppc64	POWER	64 бит
s390	IBM S/390	32 бит, или 64 бит
sh	Hitachi SH	32 бит
sparс	SPARC	32 бит
sparc64	UltraSPARC	64 бит
um	Usermode Linux	32 бит, или 64 бит
v850	v850	32 бит
x86_64	X86-64	64 бит

Стандарт языка С явно указывает, что размер памяти, которую занимают переменные стандартных типов данных, зависит от аппаратной реализации [93] , при этом также определяется минимально возможный размер типа. Неопределенность размеров стандартных типов языка С для различных аппаратных платформ имеет свои положительные и отрицательные стороны. К плюсам можно отнести то, что для стандартных типов языка С можно пользоваться преимуществами, связанными с размером машинного слова, а также отсутствие необходимости явного указания размера. Для ОС Linux размер типа long гарантированно равен размеру машинного слова. Это не совсем соответствует стандарту ANSI С, однако является стандартной практикой в ОС Linux. Как недостаток можно отметить, что при разработке кода нельзя рассчитывать на то, что данные определенного типа занимают в памяти определенный размер. Более того, нельзя гарантировать, что переменные типа int занимают столько же памяти, сколько и переменные типа long [94] .

93

За исключением размера типа char, который всегда равен 8 бит.

94

На самом деле, для 64-разрядных аппаратных платформ, которые поддерживаются ОС Linux, размеры типов int и long не совпадают. Размер типа int равен 32 бит, а размер типа long — 64 бит. Для хорошо знакомых 32-разрядных аппаратных платформ оба типа данных имеют размер 32 бит.

Ситуация еще более запутывается тем, что одни и те же типы данных в пространстве пользователя и в пространстве ядра не обязательно должны соответствовать друг другу. Аппаратная платформа sparc64 предоставляет 32-разрядное пространство пользователя, а поэтому указатели, типы int и long имеют размер 32 бит. Однако в пространстве ядра для аппаратной платформы размер типа int равен 32 бит, а размер указателей и типа long равен 64 бит. Тем не менее такая ситуация не является обычной.

Всегда необходимо помнить о следующем.

• Как и требует стандарт языка С, размер типа char всегда равен 8 бит (1 байт),

• Нет никакой гарантии, что размер типа int для всех поддерживаемых аппаратных платформ будет равен 32 бит, хотя сейчас для всех платформ он равен именно этому числу.

• То же касается и типа short, который для всех поддерживаемых аппаратных платформ сейчас равен 16 бит.

• Никогда нельзя надеяться, что тип long или указатель имеет некоторый заданный размер. Этот размер для поддерживаемых аппаратных платформ может быть равен 32, или 64 бит.

• Так как размер типа long разный для различных аппаратных платформ, никогда нельзя предполагать, что sizeof(int) == sizeof(long).

• Точно так же нельзя предполагать, что размер типа int и размер указателя совпадают.

Скрытые типы данных

Скрытые (opaque) типы данных — это те типы, для которых не раскрывается их внутренняя структура, или формат. Они похожи на черный ящик, насколько это можно реализовать в языке программирования С. В этом языке программирования нет какой-либо особенной поддержки для этих типов. Вместо этого, разработчики определяют новый тип данных через оператор typedef, называют его скрытым и надеются на то, что никто не будет преобразовывать этот тип в стандартный тип данных языка С. Любые использования данных этих типов возможны только через специальные интерфейсы, которые также создаются разработчиком. Примером может быть тип данных pid_t, в котором хранится информация об идентификаторе процесса. Размер этого типа данных не раскрывается, хотя каждый может смошенничать, использовать размер по максимуму и работать с этим типом, как с типом int. Если нигде явно не используется размер скрытого типа данных, то размер этого типа может быть изменен, и это не вызовет никаких проблем. На самом деле так уже однажды случилось: в старых Unix-подобных операционных системах тип pid_t был определен как short.

Еще один пример скрытого типа данных — это тип atomic_t. Как уже обсуждалось в главе 9, "Средства синхронизации в ядре", этот тип содержит данные целочисленного типа, с которыми можно выполнять атомарные операции. Хотя этот тип и соответствует типу int, использование скрытого типа данных позволяет гарантировать, что данные этого типа будут использоваться только в специальных функциях, которые выполняют атомарные операции. Скрытые типы позволяют скрыть размер типа данных, который не всегда равен полным 32 разрядам, как в случае платформы SPARC.

Другие примеры скрытых типов данных в ядре — это dev_t, gid_t и uid_t. При работе со скрытыми типами данных необходимо помнить о следующем.

• Нельзя предполагать, что данные скрытого типа имеют некоторый определенный размер в памяти.

• Нельзя преобразовывать скрытый тип обратно в стандартный тип данных.

Разрабатывать код необходимо с учетом того, что размер и внутреннее представление скрытого типа данных могут изменяться.