การศึกษาลินุกซ์เคอร์เนล ด้วย Raspberry Pi: พื้นฐานการทำงานของลินุกซ์ดีไวซ์ไดร์เวอร์ (ตอนที่ 1)

เกริ่นนำนิดหน่อย

ตั้งใจจะเขียนเรื่อง การเขียนลินุกซ์ดีไวซ์ไดร์เวอร์ บนบอร์ด ราสเบอรรี่พาย มานานแล้ว แต่พอมาลองเขียนเอาจริงๆ ก็เริ่มรู้สึกว่าถ้าไม่มีการปูพื้นเรื่องที่เกี่ยวข้องให้ก่อน มือใหม่ที่พึ่งเริ่มศึกษาก็คงจะเข้าใจยากแน่ๆ และเรื่องที่จะเขียนนี้ก็คงไม่มีประโยชน์กับมือเก่าที่ได้ศึกษาโดยตรงกับ Textbook หรือ documentation อื่นๆที่มีอยู่แล้วในภาษาอังกฤษ เลยสรุปได้ว่าน่าจะเน้นไปที่เนื้อหาสำหรับมือใหม่ เพื่อที่จะเพิ่มจำนวนนักพัฒนาที่สามารถเข้าใจพื้นฐาน แล้วนำไปต่อยอดกันเองนะครับ

จั่วหัวว่าเป็นการศึกษาด้วยบอร์ด ราสเบอร์รี่พาย แต่กว่า จะได้ไปลองบนบอร์ดจริงคงปาเข้าไป สองถึงสามตอนก่อน เพราะอย่างที่บอกตอนต้นว่า ต้องปูพื้นกันก่อนที่จะเริ่มไปเขียนโค้ดไดร์เวอร์จริงๆ หัวข้อที่พูดถึงด้านล่างต่อจากนี้ จะมีความเกี่ยวข้องกับการเขียนลินุกซ์ดีไวซ์ไดร์เวอร์ ทั้งขั้นเริ่มต้นและขั้นสูง ยังไงลองศึกษาไปกันก่อนละกัน

เคอร์เนลสเปซ และ ยูสเซอร์สเปซ (Kernel space & User space)

ความเข้าใจพื้นฐานเรื่องนึงที่เกี่ยวข้องกับลินุกซ์ดีไวซ์ไดร์เวอร์ คือขอบเขตของหน่วยความจำของโปรแกรมฝั่งเคอร์เนลสเปซ และหน่วยความจำของโปรแกรมฝั่งยูสเซอร์สเปซ

เคอร์เนลสเปซ คือบริเวณของหน่วยความจำที่โปรแกรมฝั่งเคอร์เนลสเปซทำงานอยู่ ซึ่งประกอบไปด้วยตำแหน่งหน่วยความจำจริง (Physical memory) และตำแหน่งหน่วยความจำเสมือน (Kernel virtual memory) หน่วยความจำส่วนนี้จะไม่ถูกย้ายลงไปเก็บในดิสก์และไม่สามารถเรียกใช้ได้โดยตรงจากโปรแกรมฝั่งยูสเซอร์สเปซเนื่องจากเหตุผลเรื่องความปลอดภัยของระบบ หน่วยความจำส่วนนี้ครอบคลุมฮาร์ดแวร์ทั้งหมดซึ่งรวมถึงรีจิสเตอร์ต่างๆด้วย

ยูสเซอร์สเปซ คือบริเวณของหน่วยความจำที่โปรแกรมฝั่งยูสเซอร์สเปซทำงานอยู่ ซึ่งเป็นตำแหน่งหน่วยความจำเสมือน (Virtual memory) ซึ่งถูกจัดสรรโดยเคอร์เนล หน่วยความจำส่วนนี้ อาจถูกย้ายไปเก็บใน swap space บนดิสก์ ขึ้นกับระดับความสำคัญที่ระบบปฏิบัติการ ตัดสินใจ

โปรแกรมฝั่งเคอร์เนลสเปซ คือโค้ดที่ทำหน้าที่ติดต่อและควบคุมฮารด์แวร์ต่างๆ รวมถึงจัดการทรัพยากรที่มีในระบบทั้งหมดตามที่โปรแกรมฝั่งยูสเซอร์สเปซร้องขอ

โปรแกรมฝั่งยูสเซอร์สเปซ คือโค้ดที่ทำหน้าติดต่อกับผุ้ใช้ รับผิดชอบประมวลผลสำหรับงานในส่วนที่ยูสเซอร์ต้องการ ส่วนโปรแกรมแอพพลิเคชั่นต่างๆที่ทำงานกับฮาร์ดแวร์นั้น จริงๆแล้วไม่ได้ควบคุมฮาร์ดแวร์นั้นโดยตรง แต่ทำงานโดยผ่านไดร์เวอร์ของอุปกรณ์นั้นอีกทีหนึ่ง

โดยปกติการพัฒนาซอฟแวร์บนลินุกซ์ส่วนใหญ่จะอยู่ในส่วนยูสเซอร์สเปซเป็นหลัก ( C,C++, Python , Java , shell script, php etc. ) ไม่เกี่ยวกับว่าเราเขียนโค้ดด้วยภาษาอะไร ขอบเขตการทำงานก็อยู่ภายใต้ยูสเซอร์สเปซทั้งหมด

เหตุผลที่ต้องแบ่งเมมโมรี่สเปซออกเป็นสองส่วนที่ว่า แอดมินคิดว่ามีสองเหตุผลหลักๆ

ความปลอดภัยของระบบ  เนื่องจากว่า โค้ดที่ทำงานอยู่ในเคอร์เนลสเปซนั้นสามารถเข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำจริง (Physical memory)ได้ทั้งหมด ดังนั้นหากนักพัฒนาเขียนโค้ดไม่รอบคอบ ข้อผิดพลาดนั้นก็สามารถทำให้ระบบล่มได้ รวมถึงความตั้งใจที่จะเข้าไปเอาข้อมูลของผู้ใช้งานคนอื่นที่อยู่ในระบบเดียวกันด้วย ด้วยเหตุนี้การแยกส่วนควบคุมทรัพยากรของระบบ ออกจากโปรแกรมแอพพลิเคชั่นที่อาจจะมาเพิ่มเข้าไปในระบบทีหลัง จึงสามารถเพิ่มระดับความปลอดภัยของข้อมูลและความน่าเชื่อถือของระบบได้ (อย่าลืมว่า ลินุกซ์นั้นสามารถสเกลได้ตั้งแต่ระบบเล็กๆจนไปถึงระบบใหญ่)

ความยืดหยุ่นสำหรับการพัฒนา  การแยกส่วนของการใช้งานหน่วยความจำแบบนี้ จะทำให้การจำกัดขอบเขตของแอพพลิเคชั่นนั้นชัดเจน ทำให้การเขียนโค้ดเพียงครั้งเดียวแล้วสามารถนำไปใช้งานในระบบปฏิบัติการอื่นนอกจากลินุกซ์ทำได้ง่ายมากขึ้น

พื้นฐานการทำงานของระบบแฟ้มอุปกรณ์และลินุกซ์ดีไวซ์ไดร์เวอร์