Programação Avançada
em Linux
Gleicon da Silveira Moraes
Novatec Editora
Capítulo 1
Características do Linux
Neste capítulo são descritos detalhes e características do sistema operacional
GNU/Linux importantes para a compreensão do funcionamento geral do kernel
Linux e de sua trajetória até o estado atual. Algumas ferramentas são introduzidas,
como compiladores e uma visão geral do processo de boot é exposta.
1.1 Um pouco de história
O kernel do Linux é obra de Linus Torvalds e de vários colaboradores. Sua
história é bem conhecida por todos. Foi feito um núcleo (kernel) baseado no
padrão POSIX e cresceu de forma espantosa graças à colaboração de pessoas
do mundo inteiro com drivers e partes do kernel.
Onde for empregado o nome Linux, estaremos tratando apenas do kernel,
e, quando utilizado o termo GNU/Linux, estaremos tratando de uma distribuição já instalada, ou do kernel somado a alguns programas externos.
Sua criação e evolução divulgou um modo de trabalho cooperativo e sem
interesse financeiro, que redesenhou o mercado de tecnologia, surgindo
em sua esteira muitos projetos de diferentes graus de sucesso, utilizando o
mesmo modo de trabalho.
Seja por puro inconformismo, genialidade ou, mesmo, excesso de tempo
livre, a sorte é que temos mais alternativas de sistemas operacionais acessíveis
ao usuário final, democratizando o acesso às novas tecnologias e abrindo um
campo de trabalho para muitas pessoas. Pense bem em quantos empregos
foram gerados por esta idéia!
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1.2 Clone do Unix
O Linux é um “clone” do Unix e emprega os padrões e idéias desta categoria
de sistemas operacionais, mas com código moderno e idéias inovadoras. As
vantagens dessa “herança” são modularidade, flexibilidade e maturidade,
inerentes ao Unix, robustez e segurança e modernidade conseguidas por um
grupo de desenvolvedores experientes.
Sistemas operacionais, sob o ponto de vista da máquina, são idênticos.
Existem várias definições de sistemas operacionais, mas todas convergem ao
ponto de ser uma camada entre o usuário e o hardware. A vantagem do Linux
sobre sistemas de código fechado é justamente seu código disponível, sua
grande base de usuários e aplicações, além da flexibilidade de sua interface
de programação.
Na arquitetura x86, um nome para processadores baseados no padrão Intel
386, desde 386, 486, Pentiums, AMD K5,6,7, Athlon, há limitações em função
de desenho de hardware e herança de processadores antigos (compatibilidade reversa). Sendo assim, esta plataforma apresenta-se como complexa
em termos de boot e gerenciamento de memória, mas, em compensação, é
a que o Linux está bem mais desenvolvido.
1.3 Modo protegido
O Linux, assim como o Windows, trabalha no que é chamado modo protegido
do processador.
Quando ligamos o computador, o processador desta arquitetura está em
modo 8086. Nesse modo, ele pode acessar um máximo de 640 Kbytes de
memória, não importa o quanto exista no sistema, e deve reservar certas áreas
para entrada e saída de dispositivos (I/O).
Neste ponto, o DOS é carregado para a memória, carrega seus drivers e
vetores de interrupção, e entra no prompt de comando.
Para o Windows e o Linux, o processo é um pouco diferente. Eles iniciam
neste modo, mas mudam para o protegido, onde podem acessar a memória
total do sistema, assim como contam com mais recursos de gerenciamento
de memória, processos e dispositivos.
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Em outras arquiteturas, este processo não é necessário. Tais limitações da
arquitetura explicam decisões que, por exemplo, aumentaram complexidade
do processo de inicialização do sistema.
1.4 Executando mais de um programa simultaneamente no DOS
Como o DOS executa em modo 8086, para desfrutar de recursos multitarefa
lançamos mão de bibliotecas, programas TSR (Terminate-and-Stay-Resident,
ou termina ficando residente, programas que executam e ficam à espera de
um comando para aparecerem ao usuário, utilizando, para tanto, interrupções
do processador, de relógio ou teclado), e também de multitarefa cooperativa,
ou seja, cada programa é projetado de forma a ter consciência dos outros,
executando uma parte e cedendo espaço.
1.5 Múltiplos usuários simultâneos no DOS
Não é possível emular esta característica, a não ser em sistemas antigos, como
o MP/M 86, ou alternativos, que possuem uma estrutura semelhante ao do
DOS.
1.6 Outras arquiteturas
Para finalizar esta discussão de arquiteturas, basta procurar um pouco pela
Internet para encontrar a especificação de outros processadores e máquinas
para entender certas decisões tomadas pelos projetistas do Linux.
Um exemplo comum é o Framebuffer, abstração de acesso ao vídeo, presente há muito tempo para a arquitetura da Motorola 680x0 e para Sparc (Sun),
pois estas máquinas não possuem placa de vídeo como conhecemos no PC,
mas, sim, uma região chamada de framebuffer, às vezes acelerado ou não.
Portanto, não existe o “modo texto”, cabendo ao software suprir esta
necessidade, muitas vezes emulando um modo semelhante para acesso ao
console.
Quem já utilizou GNU/Linux em arquitetura Sparc teve a oportunidade de
notar a diferença que faz utilizar o driver de framebuffer do kernel e operar
na tela original, com fundo branco e letras grandes.
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1.7 Seqüência de boot do Linux na plataforma x86
A BIOS do computador guarda, além de informações sobre hardware, um
pequeno programa, o qual é carregado logo após o teste de memória e I/O.
Este programa lê, do primeiro setor do primeiro dispositivo de boot válido,
um bloco de 512 bytes, copia para o endereço 0x07c00 e o executa.
Tal código é chamado de bootstrap e, dentro do kernel do Linux, o setor de
boot fica em bootsect.S (a extensão S é de arquivo em assembly). Na versão
2.6 parte deste código foi removida, como veremos no capítulo 9.
Mesmo nas BIOS mais avançadas, esta rotina é semelhante, mesmo se
executada sob algum tipo de emulação, pois sem ela nenhum sistema operacional para esta plataforma se inicia.
Após a execução deste bloco, ele se move para o endereço 0x90000
(INITSEG), seta um stack em 0x9000:0x4000-12, com uma reserva para os
parâmetros de disco, copia os parâmetros para esta localidade, termina de
carregar outros setores contendo código para a memória, termina de capturar
informações sobre o dispositivo que será o rootfs (a raiz do sistema) e imprime
a mensagem “Loading”.
Neste momento, ele começa a carregar o sistema para 0x100000 (SYSSEG)
e, a cada trilha lida, imprime um “.” (ponto) até terminar, checando, então, o
número do root device e pulando (jmp) para 0x90200 (SETUPSEG), que fica
logo após o bootblock carregado anteriormente.
Em linux/arch/i386/boot/setup.S temos o código para o primeiro reconhecimento de hardware, como tamanho da memória, adaptador de vídeo, HDs
primário e secundário, além de checar um código ao fim do bloco de setup,
para verificar a validade. Tudo conferido, checado e reconhecido, começa o
processo de mudança do modo 8086 (modo real) para o modo protegido.
São tomadas as medidas cabíveis de acordo com o processador (copiar
tabelas de interrupção, ignorar interrupções e NMI, carregar o IDT e GDT e
habilitar a linha A20 de memória), reprogramar as interrupções para os chips
controladores e, finalmente, ligar o bit de modo protegido, pulando (jmp),
em seguida, para o endereço KERNEl_CS:0x1000, que é a localidade onde o
kernel foi colocado previamente.
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Em linux/arch/i386/boot/compressed/head.S:startup_32, são efetuadas
as checagens da linha A20, os registradores da CPU são limpos e é chamada
a rotina decompress_kernel para descompactar e copiar o kernel para outro
lugar (endereço 0x1000:0000 ou seja 1 Mb). Nota-se que o kernel mesmo após
comprimido contém código para o boot, e só é descomprimido após todo o
ambiente ter sido criado.
Por esta descrição dá para perceber a complexidade gerada por um design
equivocado. Tantas mudanças de endereço e cópia de trechos são necessários
em decorrência da limitação de memória acessível e da impossibilidade de
uso da BIOS em modo protegido por não ter código reentrante.
1.8 Linux para outros processadores
Entre as várias arquiteturas suportadas pelo Linux, podem existir áreas em
que uma não alcança a outra em termos técnicos. Por exemplo, as versões
do kernel para a arquitetura baseada nos processadores Intel são a referência
completa da implementação, enquanto a de PA-RISC ainda sofre da falta de
drivers, dependendo do número de desenvolvedores interessados e com
hardware disponível.
Para processadores que possuem apenas o modo real, existe um antigo
projeto chamado ELKS, o qual utiliza um compilador diferente do GCC chamado de BCC, especializado para sistemas baseados no 8086, de 16bits. Como
outros projetos semelhantes baseados neste chip, seu estado é ainda imaturo
e provavelmente abandonado.
Existem versões previstas no Linux para o processador do videogame
Dreamcast e plataformas como ARM e StrongARM (Pocket PCs).
Para processadores maiores, além de Intel, é disponibilizado suporte para
SPARC (Sun), MIPS (SGI), Alpha (Digital/Compac/HP), PA-RISC (HP), S/390
(IBM), PowerPC (Motorola/IBM) e 68K (Motorola).
Vale a pena citar sistemas como o NetBSD (http://www.netbsd.org) que possuem
versões em seu kernel para um sem-número de arquiteturas, algumas apenas
regionais ou já extintas há muito tempo. Como curiosidade para o interessado
em arquitetura de sistemas operacionais, o código é um prato cheio.
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1.9 Linux como sistema em tempo real
Sistemas em tempo real são usados em situações críticas que necessitam
de exatidão em tarefas baseadas no tempo de sensoriamento, comutação e
precisão em ferramentas pesadas ou sistemas delicados, como, por exemplo, controle de aeronaves e equipamentos de suporte vital encontrados em
hospitais.
Basicamente é o mesmo kernel, com APIs (Aplication Programming Interfaces funções específicas e interfaces de programação) voltadas para este
tipo de aplicação, embora, às vezes, diferentes de padrões como um driver
de porta serial privilegiando mais a precisão do que a compatibilidade com
o padrão de drivers usado normalmente no Linux.
Em muitos casos, como veremos no capítulo 9, é o mesmo kernel utilizado em uma estação de trabalho, sem adição de nenhum código extra, que é
embutido em aplicações e aparelhos para atividades especializadas, apenas
otimizado para economizar espaço.
O projeto RTLinux é dedicado a criar extensões e recursos para a utilização do Linux em aplicações exigentes de tempo real. Uma camada que
funciona como suporte entre o kernel do Linux e a CPU fornece as extensões
necessárias para o controle de tempo e prioridades. O RTLinux empregado
em sistemas médicos e de precisão absoluta, com um tempo de troca entre
tarefas da ordem de nanossegundos.
1.10 Projeto uCLinux
Este é uma versão do kernel para dispositivos baseados no processador da Motorola 68000 e também no MC68328, utilizado nos Palm Pilots e em inúmeras
aplicações. O grupo responsável pelo projeto desenvolveu uma plataforma
de hardware do tamanho de um pente de memória, completo com conexão
Ethernet, portas paralelas e seriais e LCD.
A maior diferença a ser notada é que esta versão não requer a presença
de uma MMU (Memory Management Unit – Unidade de Gerenciamento da
Memória) que pesa muito no desempenho e nas funções de alocação de
memória.
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Por exemplo, uma MMU pode trabalhar com memória virtual, por meio
de hardware, enquanto emular uma MMU requer gasto de ciclos da CPU para
gerenciar esta função.
1.11 Emulador para SCO e Solaris usando interrupções (LxRun)
O projeto LxRun lança mão de um recurso muito interessante, que lembra
muito as soluções utilizadas no DOS, e que veremos com mais detalhes a
partir do capítulo 3.
Ele funciona no SCO, OpenServer e Solaris para plataforma x86. Na realidade, trata-se de um módulo para o kernel destes sistemas, o qual mapeia
uma interrupção de software dos processadores compatíveis com a família
Intel, conhecida por int 0x80, que é a chamada das funções do usuário para
o kernel (syscall).
Com a interrupção de syscall instalada, as chamadas dos programas são
redirecionadas para as chamadas correspondentes em seu próprio kernel.
Portanto, o programa roda diretamente no sistema operacional, “acreditando” que está executando no Linux, sem mudanças nem necessidade de
recompilação.
Este conceito não é classificado como um emulador no sentido direto, mas
sim como uma nova camada nestes sistemas, os quais usam o padrão iBCS
(Intel Binary Compatibility System).