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: Intel Corporation Xeon E3-1200 v6/7th Gen Core Processor Host Bridge/DRAM Registers (rev 05)
00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation 6th-9th Gen Core Processor PCIe Controller (x16) (rev 05)
00:02.0 VGA compatible controller: Intel Corporation HD Graphics 630 (rev 04)
00:14.0 USB controller: Intel Corporation 100 Series/C230 Series Chipset Family USB 3.0 xHCI Controller (rev 31)
00:14.2 Signal processing controller: Intel Corporation 100 Series/C230 Series Chipset Family Thermal Subsystem (rev 31)
[...]
02:00.0 Network controller: Qualcomm Atheros QCA6174 802.11ac Wireless Network Adapter (rev 32)
03:00.0 Unassigned class [ff00]: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL8411B PCI Express Card Reader (rev 01)
03:00.1 Ethernet controller: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL8111/8168/8411 PCI Express Gigabit Ethernet Controller (rev 12)
04:00.0 Non-Volatile memory controller: Samsung Electronics Co Ltd NVMe SSD Controller SM981/PM981/PM983
$ lsusb
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub
Bus 001 Device 003: ID 0bda:5621 Realtek Semiconductor Corp. HD WebCam
Bus 001 Device 002: ID 04ca:3016 Lite-On Technology Corp. 
Bus 001 Device 018: ID 145f:01bc Trust GXT 155 Gaming Mouse
Bus 001 Device 004: ID 04f3:0c03 Elan Microelectronics Corp. ELAN:Fingerprint
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

لهذه البرامج خيار -v الذي يعرض معلومات مفصلة أكثر بكثير (لكن غير ضرورية عادة). أخيراً، يسرد الأمر lsdev (في الحزمة procinfo) موارد التواصل التي تستهلكها الأجهزة.

تصل التطبيقات إلى الأجهزة غالباً عبر ملفات خاصة منشأة ضمن المجلد /dev/ (انظر الملاحظة الجانبية أساسيات صلاحيات الوصول للأجهزة). هذه الملفات هي ملفات خاصة تمثّل سواقات الأقراص الصلبة (مثلاً، /dev/hda و /dev/sdc)، أو أقسام الأقراص (مثلاً، /dev/hda1 أو /dev/sdc3)، الفأرات (/dev/input/mouse0)، لوحات المفاتيح (/dev/input/event0)، بطاقات الصوت (‎/dev/snd/*‎)، المنافذ التسلسلية (‎/dev/ttyS*‎)، وغيرها.

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.

هناك صيغ عديدة لنظم الملفات، توافق الطرق العديدة التي يمكن بها تخزين البيانات فيزيائياً على الأقراص. أكثر نظم الملفات شهرة هي ext3 و ext4، لكن يوجد غيرها. مثلاً، vfat هو النظام الذي استخدمه دوس قديمًا ونظام التشغيل ويندوز، ما يسمح باستخدام الأقراص الصلبة في دبيان كما في ويندوز. على أية حال، يجب تجهيز نظام ملفات على القرص قبل أن نتمكن من ربطه مع شجرة الملفات وتعرف هذه العملية باسم ”التهيئة“. تعالج الأوامر مثل mkfs.ext3 (حيث mkfs تعني MaKe FileSystem أي اصنع نظام ملفات) عملية التهيئة. تتطلب هذه الأوامر، كمتغير، ملف جهاز يمثل القسم المراد تهيئته (مثلاً، /dev/sda1). هذه العملية مدمرة ويجب تشغيلها مرة واحدة فقط، إلا إذا أراد المرء مسح نظام الملفات والبدء من جديد عمدًا.

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”).