Системное программирование *

В повседневной практике разработчика встраиваемых систем приходится сталкиваться с необходимостью запуска двух и более разноплановых ОС на n-ядерных системах на кристалле. Это, как правило, Linux и специализированная RTOS. На плечи Linux ложится работа с тяжеловесными стеками протоколов, а RTOS же занимается задачами реального времени.
 
Одна из основных задач, которая встает при такой организации системы — обеспечение механизма взаимодействия, то есть межъядерный обмен данными. Если вам интересно узнать один из вариантов решения на базе открытой библиотеки OpenMCAPI, пролистать пару десятков строк программного кода и увидеть реальные цифры пропускной способности при использовании этой библиотеки, добро пожаловать под кат.

Позади уже полторы (первая, полуторная) части этой статьи, теперь наконец пришло время рассказать о структуре UEFI Firmware Volume и формате UEFI File System.

В первой части этой статьи мы познакомились с форматом UEFI Capsule и Intel Flash Image. Осталось рассмотреть структуру и содержимое EFI Firmware Volume, но для понимания различий между модулями PEI и драйверами DXE начнем с процесса загрузки UEFI, а структуру EFI Firmware Volume отставим на вторую часть.

Выпуск материнских плат на чипсетах Intel шестой серии (P67 и его братьях) принес на массовый рынок ПК новый вариант BIOS — UEFI. В этой статье мы поговорим об устройстве файлов UEFI Capsule и Intel Flash Image.
Структура EFI Firmware Volume и полезные в хозяйстве патчи будут описаны во второй части.

После долгого перерыва продолжаем делать интересные штуки, как всегда на чистом железе без операционной системы. В этой части статьи научимся использовать весь потенциал процессоров: будем запускать программу сразу на нескольких ядрах процессора в полностью параллельном режиме. Чтобы провернуть такое, нам потребуется многое сделать для расширения функциональности программы полученной в части 3.

Просто так выполнять какие-то вычисления на ядрах процессора – скучно, поэтому нужна задача, которая требует больших вычислительных ресурсов, хорошо раскладывается на параллельные вычисления, да и выглядит прикольно. Предлагаем сделать программу, которая рендерит простенькую 3D-сцену, используя алгоритм обратной трассировки лучей, или, по-простому, Ray Tracing.

Начнем с самого начала: наша цель параллельные вычисления на всех ядрах процессора. Все современные процессоры для PC, да и ARM уже тоже (я молчу про GPU) – это многоядерные процессоры. Что же это означает? Это означает, что вместо одного вычислительного ядра у процессора на одном компьютере присутствует несколько ядер. В общем случае, все выглядит несколько сложнее: на компьютере может быть установлено несколько сокетов (чипов процессора), в рамках каждого чипа (в рамках одного кристалла) может находиться сразу несколько физических ядер, а в рамках каждого физического ядра может находиться несколько логических ядер (например, те, что возникают при использовании технологии Hyper Threading). Все это схематично представлено на рисунке ниже, и называется топологией.

Очередной пост для блога, посвященного работе над игрушечной ОС. В прошлый раз я писал про необходимость в простеньком драйвере AHCI (SATA). Прежде чем начать двигаться в этом направлении, я решил набросать инфраструктуру драйверов: общий интерфейс драйвера + уточнённый интерфейс драйвера устройства хранения. Формулирование этих интерфейсов выявило проблему, на которую я ранее не обращал внимания — проблему портируемости.

Не зависящий от платформы код (например, большая часть планировщика, вспомогательный код типа kprintf, ...) у меня перемешивается с кодом, заточенным только под x86_64 (системные таблицы дескрипторов, APIC, прерывания, ...). Хотя ничего не мешало мне сформулировать интерфейс драйвера, жёстко привязанного к x86_64 (в частности, свободно оперировать PCI-адресами), мне стало ясно, что без чёткого отделения кода, специфичного для конкретной платформы, от общего портируемого кода я буду лишь усугублять ситуацию. Итак, я принял решение перебрать всё написанное, отделив общий код (в корне src/) от кода, специфичного для платформы (в src/x86_64/). Этим я и занимался последние две недели.

Продолжаю блог о разработке игрушечной ОС (предыдущие посты: раз, два, три). Сделав паузу в кодировании (майские праздники, всё-таки), продолжаю работу. Только что набросал сканирование PCI-шины. Эта штука понадобится для работы с SATA-контроллером: следующее, что хочу сделать — это простенький драйвер диска. Он позволит поэкспериментировать с проецированием постоянной памяти на адресное пространство (своппинг, доведённый до логического конца). А пока хотел бы описать реализацию мьютекса.

Отсутствие комментариев к двум моим предыдущим постам, несмотря на большое число лайков, привели меня к выводу, что подавляющее большинство ничего не поняло. Просто, будучи давно погружённым в тему, я проявил невнимательность к своему читателю. Моя вина, буду исправляться. Поговорим о планировании доступным языком.

Итак, что такое планировщик? Планировщик — это часть ОС, реализующая многозадачность. Число процессоров, обычно, намного меньше числа выполняемых задач. Поэтому на каждый процессор приходится несколько задач. В силу своей последовательной природы процессор не может выполнять эти задачи одновременно — и он поочерёдно переключается с одной задачи на другую.

По способу переключения между задачами планировщики делятся на кооперативные и вытесняющие. При кооперативном планировании ответственность за переключение задач несут сами задачи. Т.е. задача сама решает, когда можно уступить место следующей. В отличие от кооперативных, вытесняющие планировщики самостоятельно принимают решение о смене задачи. Легко понять, что второй метод планирования в общем случае является более предпочтительным для ОС в силу своей предсказуемости и надёжности.

Далее задачи будем называть потоками. Изначально задачи были однопоточными, и поток выполнения всегда соответствовал задаче. В настоящее время это уже не так, поэтому задача логически разделилась на два родственных понятия: процесс, как контейнер ресурсов, и поток, как независимая последовательность исполнения кода.

Для повышения удобства разрабатываемых продуктов, мы стараемся обеспечить максимальный уровень интеграции функционала в операционную систему, чтобы пользователю было удобно использовать весь потенциал приложения. В этой статье будут рассмотрены теоретические и практические аспекты разработки Shell Extensions, компонентов позволяющих интегрироваться в оболочку операционной системы Windows. В качестве примера рассмотрим расширение списка контекстного меню для файлов, а так же проведем обзор уже существующих решений в этой области.

Продолжаю вести блог о разработке игрушечной ОС.

В прошлом посте я писал о том, как добиться возможности реализовывать на C обработчики прерываний. Теперь, пользуясь написанными ранее макросами, можно реализовать простой SMP-планировщик. Он будет предоставлять минимально возможный функционал, на базе которого в будущем нужно будет возводить различные надстройки, в частности, примитивы синхронизации (например, мьютекс). Опять же, красивая модульная структура не способствует высокой производительности, но красота, как известно, спасёт мир, так что отдадим ей предпочтение.

Итак, попробуем сформулировать требования к нашему планировщику. Нам нужна возможность создать поток, указать для него стек, маску разрешённых логических процессоров (affinity), базовый приоритет и функцию выполнения. Далее, поток можно запустить, приостановить, продолжить его выполнение и, наконец, завершить.

Кроме того, было бы здорово, если бы планировщик не занимался выделением памяти, а мог принимать и возвращать память, выделенную под поток кем-то другим. С одной стороны, это бы обеспечило гибкость произвольного резервирования памяти потоков. С другой – дало бы уникальную возможность сохранять поток во внешней памяти (например, на жёстком диске) с последующей его загрузкой и запуском с прерванного места.

Последнее время все больше компаний проявляет интерес к микроядерным операционным системам. Эти системы из разряда академических начинают переходить в разряд ОС для применения в реальных продуктах. Например, представленная недавно платформа Samsung Knox построенна с использованием OKL4 Microvisor. Весьма вероятно, что таких решений гораздо больше, но не все производители афишируют используемые технологии, так как на данный момент микроядерные системы, в основном, применяются в сфере информационной безопасности.

Краткая история микроядерных ОС и описание наиболее известных проектов недавно были описаны моим коллегой sartakov в статье "Микроядра и FOSDEM'13". Я хочу рассказать более подробно о Genode OS Framework и процессе портирования его на новую аппаратную платформу на базе процессора архитектуры ARM. В качестве ядра для Genode использовал Fiasco.OC.

Довелось мне как-то на работе столкнуться с задачей управления доступа и перенаправления запросов к файловой системе в рамках определенных процессов. Реализовать необходимо было простое, легко конфигурируемое решение.

Решил разрабатывать MiniFilter драйвер, конфигурируемый при помощи текстового файла.

Рассмотрим, что из себя в общем виде представляет MiniFilter:

Фильтрация осуществляется через так называемый Filter Manager, который поставляется с операционной системой Windows, активируется только при загрузке мини фильтров. Filter Manager подключается напрямую к стеку файловой системы. Мини фильтры регистрируются на обработку данных по операциям ввода/вывода при помощи функционала Filter Manager, получая, таким образом, косвенный доступ к файловой системе. После регистрации и запуска мини фильтр получает набор данных по операциям ввода/вывода, которые были указаны при конфигурировании, при необходимости может вносить изменения в эти данные, таким образом влияя на работу файловой системы.

В этой части попробуем сделать “невозможное”: научимся использовать графический дисплей без операционной системы. На самом деле это задача не из легких, особенно в случае работы в 32-х битном защищенном режиме, и особенно если хочется использовать приличное разрешение экрана а не 320x200x8. Но все по порядку: раз хотим графику – значит нужно работать с видеокартой.

Современные графические карты – это практически полноценные компьютеры по мощности не уступающие основному: тут и декодирование MPEG2 в качестве 1080p, поддержка 3D графики и шейдеров, технологии вроде CUDA, и многое другое. Это все выглядит весьма сложно. С другой стороны видеокарты – это всего лишь очередной PCI девайс, такой же, как и остальные. Это устройство мы даже “нашли” в предыдущей статье с номером класса устройства 0x03 (class_name=graphics adapter). Как и с любым, устройством с видеокартой можно работать при помощи портов ввода-вывода или MMIO областей памяти, а сама видеокарта может использовать DMA и прерывания для взаимодействия с основным процессором. Если посмотреть на диапазон портов ввода-вывода, доступных у видео карт, то мы увидим, что всего ей выделяется менее 50-ти байт – не так уж и много с учетом огромной функциональности, которой обладают современные видеокарты.

Данная статья написана в форме поста для блога. Если она окажется вам интересной, то будет продолжение.

Последние четыре месяца посвящаю свободное от работы время написанию игрушечной ОС для x86_64. Исходный код лежит здесь.

Общая задумка (пока весьма далёкая от реализации) следующая: единое 64-битное адресное пространство с вечно живущими нитями (как у Phantom OS); виртуальная машина, обеспечивающая безопасность исполнения кода. На данный момент реализованы:

1. загрузка ядра при помощи multiboot-загрузчика (GRUB);
2. текстовый VGA-режим (16-цветов, kprintf);
3. простой интерфейс настройки отображения страниц;
4. возможность обработки прерываний на C;
5. идентификация топологии процессоров (сокеты, ядра, потоки) и их запуск;
6. работающий прототип вытесняющего SMP-планировщика с поддержкой приоритетов;

Пропустим описание multiboot-загрузки и работы с VGA-режимом (об этом не писал, разве что, ленивый). Про отображение страниц тоже не хочу писать, боюсь это будет скучно (может, в другой раз). Давайте лучше поговорим об обработке прерываний.

В первой части нашей статьи мы рассказали о том, каким образом можно получить простую программу “Hello World”, которая запускается без операционной системы и печатает сообщение на экран.

В этой части статьи, хочется развить получившийся в первой части код таким образом, чтобы он мог быть отлажен через GDB, компилировался через оболочку Visual Studio и печатал на экран список PCI устройств.

! ВАЖНО!: Все дальнейшие действия могут успешно осуществляться только после успешного прохождения всех 6-ти шагов описанных в первой части статьи).

Должно ли C++ сообщество придерживаться стандарта или отойти от него, чтобы создавать лучшие вещи с Boost?


Погодите, не та библиотека.

В марте 2011 года комитет ISO C++ утвердил финальную версию черновика новейшего стандарта C++. Языка, который официально был стандартизирован в августе того же года и стал известен как C++ 11. Теперь, по прошествии 2 лет, мы можем оглянуться назад и посмотреть на некоторые проблемы, затронувшие язык(аж с момента принятия первого международного стандарта в 1998 году) и сравнить его финальный вариант с популярной C++ библиотекой Boost.

Так вышло, что в нашей статье, описывающей механизм опроса PCI шины, не было достаточно подробно описано самого главного: как же запустить этот код на реальном железе? Как создать собственный загрузочный диск? В этой статье мы подробно ответим на все эти вопросы (частично данные вопросы разбирались в предыдущей статье, но для удобства чтения позволим себе небольшое дублирование материала).

В интернете существует огромное количество описаний и туториалов о для того как написать собственную мини-ОС, даже существуют сотни готовых маленьких хобби-ОС. Один из наиболее достойных ресурсов по этой тематике, который хотелось бы особо выделить, это портал osdev.org. Для дополнения предыдущей статьи про PCI (и возможности писать последующие статьи о различных функциях, которые присутствуют в любой современной ОС), мы опишем пошаговые инструкции по созданию загрузочного диска с привычной программой на языке С. Мы старались писать максимально подробно, чтобы во всем можно было разобраться самостоятельно.

Итак, цель: затратив как можно меньше усилий, создать собственную загрузочную флешку, которая всего-навсего печатает на экране компьютера классический “Hello World”.

        Приветствую. Микроядра редко появляются на Хабре, но на неделе был  топик о GNU/Hurd, где вспоминали  разные микроядра и известные проекты. Было сказано много неточностей, так что я решил рассказать о том, как обстоят дела в отрасли с нашей точки зрения. Дело в том, что мы активно участвуем в развитии проектов Fiasco.OC и Genode и ведем разработки на их основе, так что нам есть о чем рассказать.

Любой опытный программист знает, что стандарт представления значений с плавающей точкой (IEEE 754) оставляет несколько зарезервированных значений, соответствующих не-числам (NaN, not-a-number). Стандартная библиотека Visual C печатает не-числа следующим образом:
Положительная и отрицательная бесконечности могут получаться при переполнении в результате арифметического действия — например, при делении на ноль, или при взятии логарифма от положительного нуля. (По стандарту IEEE, любое значение с плавающей точкой имеет определённый знак — не только не-числа существуют в положительном и отрицательном вариантах, но и нулей тоже два.)

Все мы привыкли к уже давно ставшему стандартному видению файловых систем: есть точка монтирования, и дерево node-ов ростёт от неё. Это удобно, привычно всем и проверенно десятилетиями. Но что если этих точек станет несколько?

Я хотел бы предложить Вам мой концепт того, как я это вижу. Пока, к сожалению, в теории, так как я не обладаю достаточным знанием проектирования файловых систем, но я более чем уверен, что на Хабре таких людей предостаточно, и моя цель — призвать их к конструктивной критике и обсуждению предложенной мною идеи.