Ядро Linux является единственным процессом, имеющим непосредственный доступ к аппаратуре – все остальные процессы обращаются к устройствам только через ядро. В ядре Linux можно выделить несколько важных подсистем: подсистему управления памятью; планировщик задач; подсистему VFS – виртуальную файловую систему и драйверы.

Подсистема управления памятью управляет распределением оперативной памяти между задачами, а также обслуживает файл подкачки, планировщик задач управляет разделением процессорного времени между задачами (процессами и нитями), подсистема VFS предназначена для обслуживания файловых операций.

Драйверы предназначены для управления устройствами и поддержки различных протоколов. Существует две разновидности драйверов – статически подключенные в ядро драйверы и загружаемые модули; первые всегда загружены, вторые могут быть загружены при необходимости и выгружены, когда необходимость в них отпала. Каждый модуль и само ядро содержат сигнатуру версии – специальную метку, которая описывает версию ядра и некоторые опции, использованные при компиляции ядра. Кроме того, ядра версии 2.6 могут поддерживать цифровую подпись модулей. Это было сделано для повышения надежности системы – по умолчанию ядро не будет загружать и использовать драйверы, предназначенные для другой версии ядра, или собранные с другими опциями, поскольку это может привести к возникновению проблем. Версию ядра можно узнать с помощью команды uname :

$ uname -r
2.6.8.1

В принципе, утилиты для работы с модулями поддерживают возможность загрузки модулей, собранных для другого ядра – но пользоваться этой возможностью следует с крайней осторожностью, поскольку это может привести к непредсказуемым последствиями – от ошибок ядра (kernel panic) и вплоть до странных потерь данных и непонятных ошибок, взявшихся на пустом месте.

В большинстве дистрибутивов образ ядра располагается в каталоге /boot, а загружаемые модули ядра располагаются в /lib/modules/<версия_ядра>, там же располагается таблица зависимостей модулей, поскольку некоторые модули могут нуждаться для своей работы в других модулях (например, драйвер поддержки SCSI-дисков нуждается в драйвере поддержки SCSI – как следствие этого, если объекты какого-либо модуля используются другим драйвером, такой модуль невозможно выгрузить). Следующий листинг демонстрирует достаточно типичное содержание каталога модулей для ядер линейки 2.6:

$ ls -l /lib/modules/2.6.8.1/
total 616
lrwxrwxrwx   1 root root     18 Авг 27 15:36 build -> /usr/src/linux
drwxr-xr-x  10 root root   4096 Окт  1 13:55 kernel
-rw-r--r--   1 root root 108680 Окт  1 13:56 modules.alias
-rw-r--r--   1 root root     69 Окт  1 13:56 modules.ccwmap
-rw-r--r--   1 root root 153967 Окт  1 13:56 modules.dep
-rw-r--r--   1 root root     73 Окт  1 13:56 modules.ieee1394map
-rw-r--r--   1 root root    357 Окт  1 13:56 modules.inputmap
-rw-r--r--   1 root root  16658 Окт  1 13:56 modules.isapnpmap
-rw-r--r--   1 root root  85093 Окт  1 13:56 modules.pcimap
-rw-r--r--   1 root root  68078 Окт  1 13:56 modules.symbols
-rw-r--r--   1 root root 150781 Окт  1 13:56 modules.usbmap
lrwxrwxrwx   1 root root     18 Окт  1 13:22 source -> /usr/src/linux

$ find /lib/modules/2.6.8.1/kernel -type f | head -20		
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/arch/i386/kernel/cpuid.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/arch/i386/kernel/microcode.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/arch/i386/kernel/msr.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/crypto/blowfish.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/crypto/deflate.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/crypto/md5.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/crypto/twofish.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/acpi/fan.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/acpi/processor.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/acpi/thermal.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/base/firmware_class.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/cryptoloop.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/loop.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/nbd.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/paride/epat.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/paride/paride.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/paride/pd.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/block/paride/pg.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/bluetooth/bcm203x.ko
/lib/modules/2.6.8.1/kernel/drivers/bluetooth/bfusb.ko

Бинарные файлы модулей содержатся в подкаталоге kernel, и имеют расширение “.o” для ядер линейки 2.4 и расширение “.ko” для ядер линейки 2.6. В файлах modules.***map перечисляются символы (функции и переменные), экспортируемые модулями.

Часто в одном каталоге с модулями содержатся ссылки на каталоги, в которых хранились исходные тексты ядра и в котором производилась сборка ядра (это ссылки source и build, соответственно). Эти ссылки, как правило, используются для того, чтобы скомпилировать модули или программы, которые зависят от версии ядра (например, эти ссылки используются при инсталляции модуля поддержки видеокарт nvidia).

Учет взаимосвязей между загруженными модулями производится с помощью счетчика ссылок – модуль увеличивает свой счетчик ссылок как только какой-либо его объект начинает использоваться другими драйверами. Когда объекты модуля освобождаются, счетчик ссылок уменьшается. Модуль может быть выгружен, если число ссылок на него станет равно 0. В ядрах версии 2.6 существует возможность произвести принудительную выгрузку модуля даже если он используется, но этим пользоваться без крайней необходимости не рекомендуется, поскольку очень возможно возникновение ошибок.

Ядро содержит множество переменных и функций, которые используются различными драйверами, и соответственно, если какой-либо драйвер должен обратиться к такому объекту, он должен знать его адрес. Некоторые драйверы также содержат переменные и функции, которые должны быть доступны другим драйверам, и адреса таких объектов тоже размещаются в специальной таблице. При загрузке модуля ядро и программа загрузки модулей устанавливает адреса всех объектов, в которых нуждается загружаемый модуль, и только после этого модуль может начать инициализацию.

Загрузка модулей и их выгрузка осуществляются утилитами modprobe, insmod и rmmod. Программы modinfo и depmod предназначены для получения служебной информации о загружаемых модулях. В процессе своей работы эти утилиты опираются на конфигурационные файлы /etc/modprobe.conf (для ядер 2.6.X) или modules.conf (для ядер 2.4.X).