Linux Kernel Principles

เคอร์เนล (Kernel) สามารถแยกออกมาได้ 3 ประเภท ได้แก่

• Monolithic kernel เช่น Linux Kernel, MS-DOS, Microsoft Windows 9x Series

• Micro kernel เช่น AIX, AmigaOS, Android OS, Haiku, L4 microkernel family เป็นต้น

• Hybrid kernel เช่น BeOS kernel, NetWare kernel, ReactOS kernel, NT kernel Windows NT kernel (Windows 2000/Windows XP/Windows 2003/Windows Vista), 8.XNU kernel (ใช้ใน Mac OS X) เป็นต้น

และเป็นที่ทราบกันดีว่าลีนุกซ์คอร์เนลโดยส่วนใหญ่นั้นจะเป็นชนิด monolithic kernel ซึ่งหมายถึงหน้าที่หลักโดยส่วนใหญ่ของระบบปฏิบัติการจะถูกเรียกผ่าน Kernel ทั้งหมด ดังแสดงในรูปข้างล่าง

แสดงการรายละเอียดการทำงานของ Monolithic Kernel

แตกต่างจาก Micro Kernel ที่บางส่วนของระบบปฏิบัติการยังคงทำใน Kernel เช่น การสื่อสารระหว่างโปรเซส (inter-process communication) การจัดลำดับงานของอุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต (basic input/output scheduling) การจัดการหน่วยความจำ (memory management) ส่วนหน้าที่อื่นๆจะทำภายนอก Kernel ตัวอย่างเช่น drivers, network stack, file systems

แสดงการรายละเอียดการทำงานของ Micro Kernel

Linux Kernel

ลีนุกซ์คอร์เนลซึ่งเป็นตัวกลางสำคัญของระบบปฏิบัติการลีนุกซ์ในการติดต่อระหว่างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ โดยฮาร์ดแวร์นั้นหมายถึงอุปกรณ์ต่างๆภายในและอุปกรณ์รอบข้างเครื่องคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างเช่น หน่วยประมวลผลกลาง หน่วยความจำ การ์ดแสดงผล ฮาร์ดดิสก์ อุปกรณ์อินพุตและเอาท์พุต เมาส์ คีย์บอร์ด เป็นต้น สำหรับซอฟแวร์นั้นประกอบไปด้วยโปรแกรมของระบบปฏิบัติการและโปรแกรมประยุกต์ต่างๆ โดยภายใน Kernel จะประกอบไปด้วย 2 ส่วนสำคัญคือ Kernel Module และ Device Driver ทั้งสองจะทำหน้าที่ในการดูแลจัดการการร้องขอที่เกิดขึ้นจากฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ แล้วทำการประมวลผลข้อมูลในเบื้องต้นเพื่อส่งต่อให้ระบบปฏิบัติการต่อไป เพื่อให้บริหารจัดการการใช้งานทรัพยากรทั้งหมดได้อย่างมีระบบ

แสดงการสื่อสารระหว่างโปรแกรมในระบบปฏิบัติการและอุปกรณ์

จุดเด่นสำคัญอีกจุดหนึ่งคือลีนุกซ์คอร์เนลสามารถรองรับสถาปัตยกรรมที่มีอยู่ตั้งแต่ในอดีตจนถึงปัจจุบัน ซึ่งสามารถดูรายชื่อได้จากไดเรกทอรี /arch โดยสามารถแยกเป็นกลุ่มสถาปัตยกรรมได้ 2 แบบคือแบบ 32 บิต เช่น arm, avr32, blackfin, m68k, microblaze, mips, score, sparc, um, x86, powerpc และกลุ่มสถาปัตยกรรมแบบ 64 บิต เช่น alpha, arm64, ia64, sparc64, tile, x86_64, powerpc

รายละเอียดของแต่ละสถาปัตยกรรมเหล่านี้นักพัฒนาสามารถเข้าไปอ่านเพิ่มเติมได้จากไดเรกทอรี arch/<arch>/Kconfig, arch/<arch>/README หรือในไดเรกทอรี Documentation/<arch>/ นอกจากนั้นลีนุกซ์คอร์เนลยังถูกปรับปรุงโค้ดภายใน ให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีความยืดหยุ่นสูงกับสถาปัตยกรรมที่หลากหลายอย่างต่อเนื่องและรองรับการเข้ากันได้กับมาตราฐานฮาร์ดแวร์รุ่นใหม่ๆแต่ยังคงได้รับการควบคุมจากผู้เชี่ยวชาญที่ดูแลซอร์สโค้ดจากทั่วโลกเพื่อไม่ให้ใครแอบซ่อนโค้ดที่ไม่พึงประสงค์หรือสร้างความไม่ปลอดภัยให้กับระบบโดยรวม

สำหรับนักพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวสามารถที่จะเลือกใช้ฟังก์ชั่นบางตัวในลีนุกซ์คอร์เนลเพื่อให้เหมาะสมกับระบบฮาร์ดแวร์ที่มีอยู่บนบอร์ดสมองกลรวมทั้งสามารถเลือกโปรแกรมประยุกต์บางตัวที่ต้องการให้ทำงานอยู่ในบอร์ดสมองกลฝังตัวได้

Linux Versioning

โดยปกติทุก 2-3 ปี จะมีการออกรุ่นเสถียร (stable) ของลีนุกซ์คอร์เนลที่เป็นเลขคู่ เช่น 1.0.x, 2.0.x, 2.2.x, 2.4.x, 2.6.x, 3.0.x เมื่อมีการพัฒนาปรับปรุงฟังก์ชั่นใหม่ๆเข้าไปและมีการเปลี่ยนแปลงโค้ดชุดใหญ่ ก็จะออกเลขรุ่นโดยใช้เป็นเลขคี่ เช่น 2.1.x, 2.3.x, 2.5.x แต่สำหรับการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงในระดับเล็กลงมา (Minor release) จะใช้เปลี่ยนเลขรุ่นหลักที่สาม เช่น 2.5.12, 2.6.39

แสดงการออกเลขเวอร์ชันของ Linux Kernel

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2003 ถึง ค.ศ. 2011 รุ่น 2.6.x เป็นรุ่นที่มีระยะการใช้งานยาวนานมากเป็นพิเศษ อาจเนื่องมาจากช่วงนั้นเป็นยุคของการเติบโตและเปลี่ยนแปลงของคอมพิวเตอร์รวมทั้งอุปกรณ์อาร์ดแวร์ภายในเครื่องและอุปกรณ์ต่อพ่วงรอบข้างอย่างรุนแรงและยังเป็นการเกิดขึ้นของยุคคอมพิวเตอร์ชนิดพกพา เช่น Laptop, Netbook, Mobile Internet Device, Smart Phone, Tablet

ในที่สุดลีนุกซ์คอร์เนลรุ่น 3.0 ก็เริ่มประกาศเป็นทางการในเดือน กรกฏาคม ปีค.ศ. 2011 ซึ่งเป็นการเปลี่ยนขยับตัวเลขจาก 2.6 ไปสู่ 3.0 ที่ยาวนานแต่กลับไม่ได้เป็นการแก้ไขในระดับโค้ดมากแต่อย่างใด ขนาดภายในลีนุกซ์คอร์เนล 3.x จะมีขนาดโดยรวมอยู่ประมาณ 434 MB ด้วยจำนวนไฟล์ถึง 39,400 กว่าไฟล์ (มากกว่า 14,800,000 บรรทัด) ดังนั้นถ้าต้องการจะทำการบีบอัดให้มีขนาดเล็กที่สุดควรจะเป็นนามสกุล .xz (ลดลงไปได้ประมาณ 85.7%)

กรณีการพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวนั้นสามารถใช้ลีนุกซ์คอร์เนลเล็กที่สุดด้วยขนาดเพียง 1.3 MB เพื่อให้เหมาะสมกับข้อจำกัดของทรัพยากรภายในบอร์ดเมื่อเทียบกับเครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป

โครงสร้างไดเรกทอรี และขนาดพื้นที่ของลีนุกซ์คอร์เนล 3.2

แสดงโครงสร้างไดเรกทอรีของลีนุกซ์เคอร์เนล

แสดงการเพิ่มขนาดการใช้พื้นที่ของลีนุกซ์เคอร์เนลตั้งแต่เวอร์ชัน 2.2 ถึง เวอร์ชัน 3.3

ตารางแสดงรายละเอียดโครงสร้างไดเรกทอรีของระบบปฏิบัติการลีนุกซ์ Kernel code

ไดเรกทอรี	รายละเอียด
arch/<architecture>	Architecture specific code
arch/<architecture>/include/asm	Architecture and machine dependent headers
arch/<architecture>/mach-<machine>	Machine/board specific code
block	Block layer code
COPYING	Linux copyright conditions (GNU GPL)
CREDITS	Linux main contributors
crypto/	Cryptographic libraries
Documentation/	Kernel Documentation. Don’t miss!
drivers/	All device drivers expect sound ones (usb, pci..)
fs/	Filesystems (fs/ext3/, etc.)
include/	Kernel headers
include/linux	Linux kernel core headers
init/	Linux initialization (including main.c)
ipc/	Code used for process communication
Kbuild	Part of the kernel build system
Kernel/	Linux kernel core (very small!)
lib/	Misc library routines
MAINTAINERS	Maintain of each kernel part. Very Useful!
Makefile	Top Linux Makefile (Set arch and version)
mm/	Memory Management code
net/	Network support codes (not drivers)
README	Overview and Build Instructions
REPORTING-BUGS	Bug report instruction
samples/	Sample codes (markers, kprobes, kobjects)
scripts/	Scripts for internal or external uses
security/	Security Model Implementation (SELinux...)
sound/	Sound support codes and drivers
usr/	Code to generate an initramfs cpio archive.