Ядро Linux

2019/2020

Статус: Дисциплина общефакультетского пула

Кто читает: Департамент программной инженерии

Где читается: Факультет компьютерных наук

Когда читается: 3, 4 модуль

Язык: русский

Кредиты: 2

Контактные часы: 24

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс про устройство ядра Linux, от самых простых понятий до сложных концепций. Курс будет интересен и полезен студентам, кто хочет подробнее разобраться в том, как устроены операционные системы Linux, какие механизмы и подходы в них реализованы, а также набраться опыта низкоуровневой разработки.

Цель освоения дисциплины

Познакомиться и изучить основные механизмы и понятия семейства операционных систем Linux

Планируемые результаты обучения

Знать базовые понятия ядра Linux
Знать основные структуры ядра
Иметь базовые навыки работы в CLI
Уметь разворачивать виртуальные машины
Понимать, что такое аппаратная и программная виртуализация
Знать основные программные средства для виртуализации
Знать базовые понятия о процессах
Иметь понимание о работе планировщика в Linux
Ознакомиться с реализацией планировщика в Linux
Знать, что такое прерывания
Уметь реализовывать обработчик прерывания
Знать основные термины прерываний
Знать, что такое атомарные операции и спин-блокировки
Знать и уметь работать с мьютексами и семафорами
Знать, что такое барьеры и каких типов они бывают
Знать, как устроена работа со временем в Linux
Уметь реализовывать таймеры и их обработчики
Уметь реализовывать задержку выполнения
Знать, что такое страничная организация памяти, выделение страниц
Понимать, как работает блочное распределение памяти
Понимать, как работает выделение памяти для конкретного процессора
Понимать, что такое области виртуальной памяти
Уметь работать с областями памяти
Знать методики кэширования
Знать, что такое буферный кэш
Знать, что такое потоки синхронизатора
Уметь понимать диагностические сообщения
Уметь задавать конфигурацию для отладки ядра

Содержание учебной дисциплины

Базовые понятия
Устройство ядра Linux. Подсистемы Linux. Системные функции. Структуры данных ядра
Виртуализация
Аппаратная и программная виртуализация. Виртуализация в Linux. KVM. Qemu, Virtualbox.
Управление процессами
Управление процессами: понятие процесса, дескриптор процесса, реализация потоков в ядре. Системный планировщик и диспетчеризация процессов: стратегия планирования, алгоритм работы планировщика, реализация планировщика в Linux, планирование в режиме реального времени.
Прерывания и их обработка: верхняя и нижняя половины.
Верхняя половина: регистрация обработчика прерывания, написание обработчика прерывания, контекст прерывания, система обработки прерывания и ее реализация, управление прерываниями. Нижняя половина: отложенные прерывания, тасклеты, очереди отложенных действий, блокировки между нижними половинами обработчиков.
Синхронизация кода ядра
Синхронизация кода ядра: критические участки, доступ к системным ресурсам, блокировки и взаимоблокировки. Средства синхронизации ядра: атомарные операции, спин-блокировки, семафоры, мьютексы, условные переменные. BKL. Последовательные блокировки. Барьеры.
Отладка ядра
Отладка ядра. Диагностические сообщения, сообщения Oops. Параметры конфигурации для отладки ядра.
Кэш
Страничный кэш и отложенная запись страниц. Методики кэширования. Реализация страничного кэша в Linux. Буферный кэш. Потоки синхронизатора.
Работа с памятью
Адресное пространство процесса. Дескриптор памяти. Области виртуальной памяти. Работа с областями памяти. Таблицы страниц.
Управление памятью
Управление памятью. Страничная организация памяти, зоны. Блочное распределение памяти. Выделение страниц памяти. Статическое выделение памяти в стеке. Выделение памяти для конкретного процессора. Интерфейс percpu.
Таймеры и управление временем
Таймеры и управление временем. Учет времени в ядре. Переменная jiffies. Аппаратные часы и таймеры, абсолютное время. Реализация таймеров. Обработчик прерываний таймера. Задержка выполнения.

Элементы контроля

Домашняя работа 1
Домашняя работа 2
Домашняя работа 3
Домашняя работа 4
Домашняя работа 5
Домашняя работа 6
Домашняя работа 7
Домашняя работа 8
Домашняя работа 9
Оценка за дисциплину выставляется в соответствии с формулой оценивания от всех пройденных элементов контроля. Экзамен не проводится.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.112 * Домашняя работа 1 + 0.111 * Домашняя работа 2 + 0.111 * Домашняя работа 3 + 0.111 * Домашняя работа 4 + 0.111 * Домашняя работа 5 + 0.111 * Домашняя работа 6 + 0.111 * Домашняя работа 7 + 0.111 * Домашняя работа 8 + 0.111 * Домашняя работа 9

Программа дисциплины