8 內科手術室 之 初談核心與設備 Dec 1999
初學Linux的人會覺得莫名其妙，怎樣使用一片3吋半 磁碟呢！？光碟呢？硬碟分割呢？接好了的打引機、掃描 器、各類型SCSI裝置等，沒有反應！連數據器都未能接上 網！救命！新買回來的顯示卡未能設置X！！聲效卡靜悄 悄的，更不要說打互聯網長途電話！燒碟機打回原形變成 光碟機。嘩！若然鍵盤滑鼠都癱瘓，不需一分鐘，任何新 丁碰到這隻殘廢企鵝都會卻之不恭！ 幸好有了坊間各大Distributions的易裝版，以上問題都 有方便的解答。新版的Corel、Caldera、RedHat等Linux都已 全採用圖像式安裝界面。RedHat 6.1的GNOME桌面做得更 妙，竟然學KDE一樣，有個磁片小圖像，放在左邊一列的 紅帽子之下，讓用戶輕易讀取磁碟。有改進！可是，這些 新手級別的技術支援，還有待各大Distributions公司拼力發 展。現今階段，倒不如認真地了解一下Linux系統的基本設 備概念，免得在一些沒有圖像介面的伺服器前，對著文字 熒幕而束手無策。尤其是新任的Linux系統管理員，不要單 靠圖案辦事，至少要能養一隻殘而不廢的企鵝！圖像式安裝RedHat 6.1的時區設定
圖像式安裝RedHat 6.1的X設定 8.1 核心與驅動器 系統核心（kernel；屬軟件）的其中一項工作，就是要 間接驅動硬件裝置，免得軟件開發程式員在編寫資料輸入 和輸出程序時，處處要為各設備的數據存取問題而廢神。 所謂「間接」驅動周邊設備，是因為核心不會直接和 硬件溝通，而必須要經驅動器（device drivers；屬軟件） 把硬件獨有的數碼訊號，轉化為核心能統一辨認的數碼訊 息，才能正確地傳令指示去操作硬體。（不少硬件還要先 靠其內的電子零件和晶片把模擬訊號analog signals轉為數 碼訊號digital signals，但這是電子工程的事。）換言之，驅 動器有如系統核心與硬件之間的翻譯員。於是，硬件商開 發新的設備後，就要提供適當的驅動器，並針對某核心版 本而作相應的改良，才可在某作業系統上使用其產品。只 可惜，現時很多硬件商都沒有針對Linux市場來開發硬件， 其手下都難找人寫Linux的驅動器，結果又要靠一班自願人 士來編寫。這樣，自然沒有Windows版的驅動器那麼貼切 又細緻了。
「居住在南極的企鵝，一直被外界忽視。」 8.2 微內核 不知讀者有沒有發現？Windows的驅動器往往是跟著 Windows版本的更新而改良；相反，Linux的核心要跟著外 間新出的設備而升級！當然我們不會排除種種的商業和技 術原因，但其中有點值得注意的是，Windows的核心架構 與Linux的不同。 Windows核心結構的設計方針，尤其是NT核心，是邁 向較新的微內核（microkernel）理念而發展。不少名廠出 的新Unix系統核心亦然。微內核的設計中旨，是要儘量保 持一個細小的核心碼（kernel codes），專責處理記憶體分 配、程序編排、檔案管理、輸入輸出等四大事項；並儘可 能把部分核心碼由系統模式（system mode）編到用戶模 式（user mode）的層面去。此舉有助系統工程師改良內 核時，除去很多牽涉用戶層面程式碼的掛慮。特別是輸入 輸出和周邊設備之間，是以一組細心設計的溝通介面來連 接兩者。那些硬體日新月異，動不動就要修改整個核心來 迎合需求，很不化算；除了互聯網組織之外，沒有公司有 這樣大的人力。故此，微內核就較易維護。 微內核設計亦帶給系統管理員一大方便︰修改系統設 定後，無須重新編譯整個核心！（Compiling the kernel︰預 備好核心的原始碼，按系統需求設定妥當，再經編譯器生 成核心影像檔和起動檔等；幾乎等於系統重裝！）這點當 然有程度之分。接近完美的微內核設計，是要保證管理員 所能碰到的種種設定，對核心都不構成威脅。IBM的AIX系 統就是一例。相反，如SCO Unix、Linux、SunOS、Digital Unix，想修改某些系統設定時，像用戶能使用程序數目的 上限、系統的緩衝快取大小等，就要重新編譯核心。此等 涉及內核設定的事，不同的系統有不統的限制。初級的系 統管理員都甚少理會這些優化問題。 核心編譯是中階課題；驅動器編寫是高階課題；編寫 核心更是超高階項目。閣下有志參與核心發展組嗎？也許 有天你會碰上！ 8.3 Linux的核心
Linux核心檔案館http://www.kernel.org/ Linux核心的起步，並沒有像微內核的設計來得這麼幼 細。它一開始是採取較早期的獨石式核心（monolithic kernel） 結構概念來發展，意即系統內包含一大堆不分階級的核心 程序。這個取向，主要原因是太多程式員參與設計，故開始 時有點兒亂。然而，此等核心的效率可能比微內核設計較 易掌握，因為一大塊的程式優化起來比較線性兼直接。缺 點是改良時要顧慮很多。
獨石式Linux核心1.0版的硬件驅動器和內核是連成一大 塊，分不開的，像古老大石碑一樣。那個時期，安裝Linux 並不容易，玩家必須按不同需要來預設各系統項目，然後 編譯核心原始碼，為個別PC度「心」訂造！系統一起動後， 所有驅動器都活躍起來，並佔據記憶體空間。到了1.2版， 有重大改進︰眾多驅動器可以獨立於內核而另設成一些靜 態模組（modules），有必要時才被啟動，但要管理員自行 下令。其後2.0版有突破，加新了一項伺服程序kernel daemon， 自動監察用戶層面的需要，替核心決定何時啟動和關掉模組！ 意思是，要使用哪一裝置時，才由內核啟動哪一模組，這 樣可以大幅度節省記憶體的用量，而同時又可保持應用效 率。當然有些設備是一開機後就時常由內核啟動著，如鍵 盤滑鼠。 讀者留意一下核心2.0的原始碼零件分佈，就知程式員 花了多少心血在驅動器方面： 核心零件 C碼行數 組合語言 （不包header檔） 指令行數 設備驅動器 377 000 100 網絡 25 000 VFS層面 13 500 13種檔案系統 50 000 開始設定 4 000 2 800 輔助處理器 3 550 其他 20 000 Linux 2.0核心所具有的動態模組架構（dynamic modular structure），對大眾來說，十分方便。每當系統要加上新的 硬體，只要裝上適當的模組，或更新舊有的模組，不用重新 編譯整個核心，就可操作硬件。對於那經常更換硬件的PC平 台，這樣的設計極有必要。這樣，既方便了Linux發燒友專心 研究改良內核，又加速了Distributions公司加入新模組來支援 新產品。近來流行2.2版核心，周邊設備如光碟機，已不再是 只有主根才能存取，而是擴展到控制台用戶（console users）；此外，玩家亦可為個別電腦編譯出一個模組化核心 （modularized kernel）來提昇效能。RedHat 6.1更新增kudzu daemon，起機時可偵察系統內新裝的硬件！倘若發現有新 硬件，會即時給用家作初步設定。 自此，以往經常要動心藏手術的企鵝，早已脫胎換骨 了。它不再是駭客的寵物，而是各商家所爭奪的對象。
「我們的祖先原來是一塊生滿青苔的大石？」 8.4 設備檔 系統上任何周邊裝置（peripherals）都用相應的設備檔 案（device files）來處理，是Unix架構的特徵。在/dev之下， 你會發現有很多設備檔案，數以百計！Linux所支援的硬體 出名多，此目錄下的東西自然多得驚人。設備檔的檔名都 是由字母和數字所組成。輸入︰ > ls -l /dev | more 會詳細列出一連串的設備檔︰
8.4.1 第一欄由10個字元組成的項目，代表檔案類型及其使 用權限。組內首一個字元代表檔案類型，有以下意思︰ b block mode device 區塊存取模式設備。此等設備每次讀入一區塊的資 料到緩衝，區塊可預設成512KB、1024KB等，大部 分都可作局限性的隨機存取（random access）。如 硬碟、光碟、磁帶。 c character mode device 字元存取模式設備。此等設備逐次讀入一字元的資 料來處理，屬連貫存取（sequential access）。如鍵 盤、終端機、打印機。注意某些設備有block和 character兩種模式。 d directory 目錄。注意以「ls -al」指令會見有「.」和「..」兩 個目錄；「檔案管理」那一期已提及。 l symbolic link 象徵鏈結。表示此檔指向另一檔的路徑；修改此檔 就等與修改彼檔。相當於Windows的shortcut捷徑。 以「ln -sf [source] [target]」指令建立。 - file 不屬以上類型的一般檔案。如文件、程式、多媒體、 壓縮檔等。 另外還有p和s，分別代表FIFO (first in first out) pipe和 local socket的特別設備，以後再提。其後9個字元代表使用 權限，分位3小組，每組佔3個字元︰ 〔user〕〔group〕〔other〕 第一組user代表此檔的擁有者，第二組group代表此檔所屬 的組別，第三組other指其餘不屬前兩組的用戶。每一組所 列的3個字元，均表示該組對此檔所設有的控制權。字元 的次序是「rwx」，若其中的字元被「-」取代，表示該字 元所代表的控制權不付與改組的用戶。字元的意思如下︰ r read 可讀檔。若是目錄，表示目錄內容可經「ls」列出。 w write 檔案可以被寫入、更改。若是目錄，表示目錄內容 可被更改，即其下的檔案可被刪除、改名，或在目 錄下寫入新的檔案或子目錄。 e execute 檔案可被執行。當然要是二進檔或腳本方可執行。 若是目錄，表示目錄可經「cd」進入。 於是，一串「drwxr-xr-x」的字符就表示此目錄的內容可被 擁有者讀寫和執行，但同組用戶和其他用戶只能進入目錄、 讀取或執行檔案，沒有修改權。你所擁有的網頁，放到ISP 上的Unix網頁伺服器後，就應該設定此權限。假設你的網 頁都放在public_html目錄下，注意路徑，然後輸入︰ > chmod -R 755 ~/public_html 就可一次過把目錄內所有東西設成「rwxr-xr-x」的權限。 此外，還有s, S, t, T的字元代號，日後再提。詳細請參考 「chmod」指令。 8.4.2 第二欄只有一個數字，表示現存目錄下有多少子目 錄，計算並包括「.」和「..」目錄。 8.4.3 第三和第四欄就是檔案的擁有者和所屬組別。如圖 例的MAKEDEV檔案是屬於用戶root和組別root，bpcd設 備檔屬於用戶root和組別disk。只有擁有者或主根才可以 更改其相對檔案的所有權，如以主根身份輸入︰ > chown -R root.root /tmp 就會把/tmp目錄和其下所有內容設定成用戶root和組別 root的所有權。用戶可藉此把自己的檔案授權給別人。 通常是主根製作新檔，然後用「chown」授權給適當的 用戶。因為只有擁有者才可更改其檔案的權限，設定所 有權時務須小心。請參考「chown」和「chgrp」指令。 8.4.4 第五欄是檔案大小，以bytes單位計算。設備檔則有 所不同，此欄顯示它們的主號碼（major number）和副號 碼（minor number）。主號碼是給核心辨認設備檔是屬 於哪種裝置，以配搭適當的驅動模組；副號碼是用來指 定裝置本身，好比身份編號，協作核心編排適當的輸 入和輸出埠。如（6, 0）、（6, 1）、（6, 2）分別代表 lp0、lp1、lp2三個打印機佇列，主號碼（6）屬於打印 設備。 主副號碼的配置，是由核心發展組統一編排。在 {1} 有最新的設備列表，分內容如下︰ 主 存取 設備 號碼 模式 1 c Memory devices b RAM disk 2 c Pseudo-TTY masters b Floppy disks 3 c Pseudo-TTY slaves b First MFM, RLL and IDE hard disk or CD-ROM interface 4 c TTY devices 5 c Alternate TTY devices 6 c Parallel printer devices 7 c Virtual console capture b Loopback devices 8 b SCSI disk devices (0-15) 9 c SCSI tape devices b Metadisk (RAID) devices 10 c Non-serial mice, misc features 11 c Raw keyboard device b SCSI CD-ROM devices 要新增設備檔，用「mknod」指令，然後用「chown」設 定所有權。如要增加第四個打印機佇列︰ > mknod -m 620 /dev/lp3 c 6 3 > chown root.daemon /dev/lp3 「mknod」指令後的「-m 620」就是設定「rw--w----」權 限。（「rw-」的二進碼是「110」即是6；「-w-」的二進碼 是「010」即是2。這個謎語猜得到嗎？）「 /dev/lp3」檔名 後的「c 6 3」即代表字元存取模式設備，其主副號碼分別 是6和3。 8.5 後話 USB設備呢？仍在測試中。Linus在11月中的COMDEX 會展說快將推出的核心2.4版會支援USB。在主號碼107c一 行中，竟然看見有3Dfx Voodoo Graphics設備，但各大 Distributions都未能觸及，又要參考HOWTO文件了。企鵝要 趕快追上潮流啦！ 粗略掌握了以上的概念之後，就可著手操作基本的周邊 設備。下期繼續。
