B.4. بعض المهام التي تتحكم بها النواة

B.4.1. إدارة العتاد

النواة تهتم، أولاً وقبل كل شيء، بالتحكم بقطع العتاد، والتعرف عليها، تشغيلها عند تشغيل الحاسوب، وهكذا. كما أنها توفر واجهة برمجية مبسطة للعتاد تستفيد منها البرمجيات عالية المستوى، حتى تستثمر التطبيقات مزايا العتاد دون الحاجة للاهتمام بالتفاصيل مثل أي منفذ توسعة تم تركيب البطاقة الإضافية عليه. تُقدّم الواجهة البرمجية أيضًا طبقة عزل؛ تسمح هذه لبرمجيات الاجتماعات المرئية مثلاً، باستخدام كاميرا الوب بغض النظر عن الشركة الصانعة وطرازها. يستطيع البرنامج استخدام واجهة Video for Linux‏ (V4L) ببساطة، وسوف تترجم النواة استدعاءات دوال هذه الواجهة إلى أوامر العتاد الفعلية التي تحتاجها كاميرا الوب الخاصة المستعملة.

The kernel exports many details about detected hardware through the /proc/ and /sys/ virtual filesystems. Several tools summarize those details. Among them, lspci (in the pciutils package) lists PCI devices, lsusb (in the usbutils package) lists USB devices, and lspcmcia (in the pcmciautils package) lists PCMCIA cards. These tools are very useful for identifying the exact model of a device. This identification also allows more precise searches on the web, which in turn, lead to more relevant documents.

مثال B.1. مثال عن المعلومات التي يقدمها الأمر lspci والأمر lsusb

$ lspci
[...]
00:00.0 Host bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
00:00.2 IOMMU: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse IOMMU
00:01.0 Host bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
00:01.2 PCI bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse GPP Bridge
00:02.0 Host bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
00:03.0 Host bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
[..]
02:09.0 PCI bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Device 43ea
05:00.0 PCI bridge: ASPEED Technology, Inc. AST1150 PCI-to-PCI Bridge (rev 04)
06:00.0 VGA compatible controller: ASPEED Technology, Inc. ASPEED Graphics Family (rev 41)
07:00.0 Ethernet controller: Intel Corporation I210 Gigabit Network Connection (rev 03)
08:00.0 Non-Volatile memory controller: Samsung Electronics Co Ltd NVMe SSD Controller PM9A1/PM9A3/980PRO
09:00.0 Non-Volatile memory controller: Samsung Electronics Co Ltd NVMe SSD Controller PM9A1/PM9A3/980PRO
0a:00.0 Non-Essential Instrumentation [1300]: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Function
0b:00.0 Non-Essential Instrumentation [1300]: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Reserved SPP
0b:00.1 Encryption controller: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Cryptographic Coprocessor PSPCPP
0b:00.3 USB controller: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Matisse USB 3.0 Host Controller
$ lsusb
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 001 Device 002: ID 05e3:0610 Genesys Logic, Inc. Hub
Bus 001 Device 003: ID 048d:c102 Integrated Technology Express, Inc. ITE Device(8910)
Bus 001 Device 004: ID 5986:115f Bison Electronics Inc. Integrated Camera
Bus 001 Device 005: ID 048d:c975 Integrated Technology Express, Inc. ITE Device(8295)
Bus 001 Device 006: ID 8087:0026 Intel Corp. AX201 Bluetooth
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub
Bus 002 Device 002: ID 05e3:0620 Genesys Logic, Inc. GL3523 Hub
Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 004 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub

These programs have a -v option that lists much more detailed (but usually not necessary) information. Finally, the lsdev command (in the procinfo package) lists communication resources used by devices.

Applications often access devices by way of special files created within /dev/ (see sidebar أساسيات صلاحيات الوصول للأجهزة). These are special files that represent disk drives (for instance, /dev/hda and /dev/sdc), /dev/nvme1n1 partitions (/dev/hda1 or /dev/sdc3 or /dev/nvme1n1p2), mice (/dev/input/mouse0), keyboards (/dev/input/event0), soundcards (/dev/snd/*), serial ports (/dev/ttyS*), and so on.

B.4.2. نظم الملفات

نظم الملفات هي إحدى أهم مظاهر النواة. تدمج النظم المشابهة لنظام يونكس جميع أجهزة تخزين الملفات في شجرة واحدة، والتي تسمح للمستخدمين (والتطبيقات) بالوصول إلى البيانات ببساطة بمعرفة مكانها ضمن تلك الشجرة.

تدعى نقطة البداية لهذه الشجرة الهرمية بالجذر root، ويرمز لها بالرمز /. يستطيع هذا المجلد أن يحوي مجلدات فرعية مسماة. مثلا، يدعى مجلد home (البيت) المتفرع عن / باسم /home/. يمكن لهذا المجلد الفرعي، بدوره، أن يحوي مجلدات فرعية أخرى، وهكذا. يمكن لكل مجلد أيضًا أن يحوي ملفات، حيث يتم تخزين البيانات الفعلية. بالتالي، يشير الاسم /home/rmas/Desktop/hello.txt إلى الملف المسمى hello.txt المخزن في المجلد Desktop المتفرع عن المجلد rmas المتفرع عن المجلد home الموجود في الجذر. تترجم النواة بين نظام التسمية هذا وبين نظام التخزين الفعلي الفيزيائي على القرص.

بعكس نظم التشغيل الأخرى، توجد شجرة ملفات واحدة فقط، ويمكن لها أن تضم بيانات من أقراص متعددة. يستخدم أحد هذه الأقراص كجذر، والبقية ”تُربط mount“ بمجلدات في الشجرة (اسم الأمر في يونكس هو mount)؛ تتوفر هذه الأقراص الأخرى بعدئذ تحت ”نقاط الربط mount points“ هذه. يسمح هذا بتخزين مجلدات بيوت المستخدمين (المخزنة ضمن مجلد /home/ تقليديًا) على قرص ثان، الذي سيحوي مجلدات rhertzog و rmas. بمجرد ربط القرص مع /home/، تصبح هذه المجلدات متاحة للوصول من أماكنها المعتادة، وتبقى المسارات مثل /home/rmas/Desktop/hello.txt صالحة.

There are many filesystem formats, corresponding to many ways of physically storing data on disks. The most widely known are ext3 and ext4, but others exist. For instance, vfat is the system that was historically used by DOS and Windows operating systems, which allows using hard disks under Debian as well as under Windows. In any case, a filesystem must be prepared on a disk before it can be mounted and this operation is known as “formatting”. Commands such as mkfs.ext4 (where mkfs stands for MaKe FileSystem) handle formatting. These commands require, as a parameter, a device file representing the partition to be formatted (for instance, /dev/sda1). This operation is destructive and should only be run once, except if one deliberately wishes to wipe a filesystem and start afresh.

بل هناك نظم ملفات شبكية أيضاً، مثل NFS، حيث لا تخزن البيانات على قرص محلي. بل ترسل البيانات عبر الشبكة إلى مخدم يخزنها ويسترجعها حسب الطلب. إن تجريد نظم الملفات يحمي المستخدمين من الحاجة للاهتمام بذلك: تبقى الملفات متوفرة للوصول بالطريقة الشجرية المعتادة.

B.4.3. الوظائف المشتركة

نظرًا لوجود عدد من الوظائف (functions) المتشابهة التي تستخدمها جميع البرمجيات، فمن المنطق تجميعها في النواة. مثلاً، تسمح الإدارة المشتركة لنظام الملفات لأي تطبيق بفتح أي ملف عبر استخدام اسمه ببساطة، دون الحاجة للاهتمام بمكان تخزين الملف فيزيائيًا. يمكن أن يخزَّن الملف في عدة شرائح مختلفة على قرص صلب، أو ينقسم بين عدة أقراص، أو حتى يخزَّن على مخدم ملفات بعيد. تستخدم التطبيقات دوال التواصل المشتركة لتبادل البيانات بغض النظر عن طريقة نقلها. مثلاً، يمكن أن تُنقَل عبر أية تركيبة من الشبكات المحلية أو اللاسلكية، أو عبر خط الهاتف الثابت.

B.4.4. إدارة العمليات

العملية هي نسخة فعالة من البرنامج. تحتاج كل عملية إلى ذاكرة لتخزين كُلٍّ من البرنامج نفسه والبيانات التي يعمل عليها. النواة مسؤولة عن إنشاء وتتبع العمليات. عند تشغيل برنامج، تخصص له النواة جزءًا من الذاكرة، ثم تُحمِّل الشفرة التنفيذية من نظام الملفات إليه، بعدها تبدأ تشغيل الشِّفرة. تحتفظ النواة بمعلومات عن هذه العملية، أكثر هذه المعلومات بيانًا للعيان هو رقم تعريف العملية الذي يعرف بالرمز pid (مُعرِّف العملية process identifier).

نوى نظم التشغيل المشابهة لنظام يونكس (بما فيها لينكس)، ومعظم نظم التشغيل الحديثة الأخرى، تدعم ”تعدد المهام“. بكلمات أخرى، تسمح هذه النوى بتشغيل العديد من العمليات ”في الوقت نفسه“. في الحقيقة توجد مهمة واحدة تعمل في الوقت الواحد، لكن النواة تقسم الوقت إلى شرائح قصيرة وتشغل كل عملية بالدور. ونظراً لقصر هذه الشرائح الزمنية الشديد (من رتبة الميللي ثانية)، يتولد سراب العمليات التي تعمل على التوازي، بالرغم من أنها في الواقع فعالة فقط خلال بعض الفترات الزمنية وخاملة بقية الوقت. مهمة النواة هي ضبط آلية جدولة هذه الفترات للإبقاء على هذا الوهم، مع رفع أداء النظام الكلي إلى أعظم ما يمكن. إذا كانت الشرائح الزمنية طويلة جداً، فقد يفقد التطبيق قدرته على التجاوب بالشكل المقبول. وإذا كانت قصيرة جداً، سيضيّع النظام الوقت في التبديل بين المهام بشكل متكرر. يمكن إحكام هذه القرارات باستخدام أولويات العمليات. العمليات ذات الأولوية العالية ستعمل في شرائح زمنية أطول ولها تواتر أعلى من شرائح العمليات ذات الأولوية المنخفضة.

ملاحظة الأنظمة متعددة المعالجات (ومشتقاتها)

هذا القيد الذي ذكرناه عن أنه لا يمكن تشغيل إلا عملية واحدة في الوقت نفسه لا ينطبق على كافة الحالات. القيد الحقيقي هو أنه يمكن أن توجد عملية واحدة لكل نواة معالج تعمل في الوقت الواحد. النظم ذات المعالجات المتعددة، أو معالجات بنوى متعددة أو ”متعددة قنوات المعالجة hyper-threaded“ تسمح لعدة عمليات بالعمل على التوازي. ومع ذلك فإن نظام تقسيم الوقت نفسه لا يزال مستخدماً، حتى يدير الحالات التي يكون فيها عدد العمليات النشطة أكبر من عدد نوى المعالجات المتوفرة. هذه هي الحالة المعتادة: فنظام التشغيل البسيط، حتى لو كان خاملاً معظم الأوقات، يكون فيه عشرات العمليات الفعالة دائماً تقريباً.

طبعاً، تسمح النواة بتشغيل أكثر من نسخة مستقلة من البرنامج نفسه. لكن كل واحدة منها تستطيع استخدام ذاكرتها وشرائحها الزمنية الخاصة فقط. وبذلك تبقى بياناتها مستقلة.

B.4.5. إدارة الصلاحيات

نظم التشغيل المشابهة لنظام يونكس متعددة المستخدمين أيضاً. فهي تقدم نظام إدارة صلاحيات يدعم وجود مستخدمين ومجموعات منفصلة؛ كما يسمح أيضاً بالتحكم بالأعمال الجارية اعتماداً على الصلاحيات. تدير النواة بيانات لكل عملية على حدة تسمح لها بالتحكم بالصلاحيات. في معظم الأوقات، تُعرَّفُ العملية بهوية المستخدم الذي بدأ تنفيذها. يُسْمَح لتلك العملية بتنفيذ الأفعال نفسها المتاحة لمالكها فقط. مثلاً، تحتاج محاولة فتح ملف من النواة التحقق من هوية العملية استناداً لصلاحيات الوصول (لمزيد من التفاصيل عن هذا المثال بالذات، انظر قسم 9.3, “إدارة الصلاحيات”).