B.4. Einige vom Kernel erledigte Aufgaben
B.4.1. Die Hardware steuern
Es ist vor allem Aufgabe des Kernels, die Hardwareelemente zu steuern, sie zu erkennen, sie einzuschalten, wenn der Rechner angeschaltet wird, und so weiter. Er macht sie auch über eine vereinfachte Programmierschnittstelle für die Software auf höherer Ebene verfügbar, so dass Anwendungen Geräte nutzen können, ohne sich um Einzelheiten kümmern zu müssen, wie zum Beispiel, in welchen Erweiterungssteckplatz die Optionsplatine eingesteckt ist. Die Programmierschnittstelle stellt auch eine Abstraktionsschicht zur Verfügung; diese ermöglicht es zum Beispiel einer Videokonferenz-Anwendung, eine Webkamera unabhängig von ihrer Marke und ihrem Modell zu verwenden. Die Anwendung kann einfach die Schnittstelle Video for Linux (V4L) benutzen, und der Kernel übersetzt die Funktionsaufrufe dieser Schnittstelle in die tatsächlichen Hardwarebefehle, die von der konkret verwendeten Webkamera benötigt werden.
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.
Beispiel B.1. Beispiel der von lspci und lsusb angezeigten Informationen
$ 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
Diese Programme haben eine Option -v, durch die wesentlich detailliertere (aber gewöhnlich nicht erforderliche) Informationen angezeigt werden. Schliesslich listet der Befehl lsdev (im Paket procinfo) die von den Geräten benutzten Kommunikationsressourcen auf.
Applications often access devices by way of special files created within
/dev/ (see sidebar
ZURÜCK ZU DEN GRUNDLAGEN Zugriffsberechtigungen für Geräte). 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.
Dateisysteme sind einer der bedeutendsten Aspekte des Kernels. Unix-Systeme vereinen alle Dateispeicher in einer gemeinsamen Hierarchie, die es Benutzern (und Anwendungen) ermöglicht, auf Daten einfach durch Kenntnis ihres Ortes innerhalb dieser Hierarchie zuzugreifen.
Der Ausgangspunkt dieses Hierarchiebaums wird „root“ genannt, /. Dieses Verzeichnis kann mit Namen versehene Unterverzeichnisse enthalten. Das Unterverzeichnis home von / wird beispielsweise /home/ genannt. Dieses Unterverzeichnis kann wiederum weitere Unterverzeichnisse enthalten und so weiter. Jedes Verzeichnis kann auch Dateien enthalten, in denen die tatsächlichen Daten gespeichert sind. So bezieht sich /home/rmas/Desktop/hello.txt auf eine Datei namens hello.txt, die im Unterverzeichnis Desktop des Unterverzeichnisses rmas des Verzeichnisses home gespeichert ist, das sich in root befindet. Der Kernel übersetzt zwischen diesem Benennungssystem und dem tatsächlichen, physikalischen Speicherort auf einer Platte.
Im Gegensatz zu anderen Systemen gibt es nur eine derartige Hierarchie, und sie kann Daten verschiedener Speicherplatten einbinden. Eine dieser Platten wird als Wurzelverzeichnis verwendet, und die übrigen werden innerhalb der Hierarchie in Verzeichnissen „eingehängt“ (der entsprechende Unixbefehl heißt mount); diese anderen Platten sind dann unter ihren „Einhängepunkten“ verfügbar. Hierdurch wird es möglich, die Home-Verzeichnisse der Benutzer (üblicherweise in /home/ gespeichert) auf einer zweiten Festplatte abzuspeichern, die dann Verzeichnisse wie rhertzog und rmas enthält. Sobald diese Platte auf /home/ eingehängt ist, sind diese Verzeichnisse an ihren üblichen Orten zugänglich, und Pfade wie /home/rmas/Desktop/hello.txt funktionieren weiterhin.
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.
Es gibt auch Netzwerk-Dateisysteme, wie zum Beispiel
NFS, bei denen Daten nicht auf einer lokalen Platte gespeichert sind. Stattdessen werden Daten über das Netzwerk zu einem Server übertragen, der sie nach Bedarf speichert und abruft. Die Dateisystem-Abstraktion bewahrt Benutzer davor, sich darum kümmern zu müssen: Dateien bleiben in ihrer üblichen hierarchischen Weise zugänglich.
B.4.3. Gemeinsam genutzte Funktionen
Da eine Anzahl von Funktionen von allen Programmen gemeinsam benutzt wird, macht es Sinn, sie im Kernel zusammenzufassen. Zum Beispiel ermöglicht der Einsatz eines gemeinsam benutzten Dateisystems es jeder Anwendung, einfach eine Datei anhand ihres Namens zu öffnen, ohne sich darum zu kümmern, wo die Datei physisch gespeichert ist. Die Datei kann in mehreren Teilen auf einer Festplatte gespeichert sein, über mehrere Festplatten verteilt sein oder sogar auf einem entfernten Dateiserver abgelegt sein. Gemeinsam genutzte Kommunikationsfunktionen werden von Anwendungen dazu verwendet, Daten unabhängig von der Art auf der sie transportiert werden, auszutauschen. Zum Beispiel könnte der Transport über eine beliebige Kombination aus lokalen und kabellosen Netzwerken oder über eine Festnetztelefonleitung verlaufen.
B.4.4. Prozesse verwalten
Ein Prozess führt ein Programm aus. Dies erfordert Speicherplatz, um sowohl das Programm selbst als auch seine Betriebsdaten zu speichern. Es ist die Aufgabe des Kernels, sie zu erzeugen und zu verfolgen. Wenn ein Programm läuft, reserviert der Kernel zunächst Speicherplatz, lädt dann den ausführbaren Code aus dem Dateisystem in den Speicher und beginnt schließlich, den Code auszuführen. Er hält Informationen über diesen Prozess bereit, von denen die am leichtesten erkennbare eine Identifikationsnummer namens pid (process identifier) ist.
Unix-artige Kernel (einschließlich Linux) sind, wie die meisten anderen modernen Betriebssysteme fähig, im „Mehrprozessbetrieb“ zu laufen. Mit anderen Worten ermöglichen sie die Ausführung zahlreicher Prozesse „zur gleichen Zeit“. In Wirklichkeit läuft zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur ein Prozess, aber der Kernel teilt die Zeit in kleine Abschnitte auf und führt reihum jeden Prozess aus. Da diese Zeitabschnitte sehr kurz sind (im Bereich von Tausendstelsekunden), entsteht die Illusion, dass die Prozesse parallel laufen, obwohl sie jeweils nur während bestimmter Zeitabschnitte aktiv sind und im übrigen untätig. Die Aufgabe des Kernels besteht darin, seinen Zeitplanungsmechanismus so anzupassen, dass diese Illusion erhalten bleibt, und gleichzeitig die allgemeine Systemleistung maximiert wird. Wenn die Zeitabschnitte zu lang sind, könnte es der Anwendung nicht so schnell angezeigt werden wie erwünscht. Sind sie zu kurz, verliert das System Zeit durch zu häufiges Umschalten zwischen den Aufgaben. Diese Entscheidungen können mithilfe von Prozessprioritäten optimiert werden. Prozesse mit hoher Priorität laufen länger und häufiger als Prozesse mit niedriger Priorität.
Natürlich ermöglicht der Kernel es auch, mehrere unabhängige Instanzen desselben Programms auszuführen. Jedoch kann jede von ihnen nur auf ihre eigenen Zeitabschnitte und ihren eigenen Speicherplatz zugreifen. Ihre Daten bleiben daher voneinander unabhängig.
Unix-artige Systeme sind auch Mehrplatzsysteme. Sie verfügen über ein Rechteverwaltungssystem, das getrennte Gruppen und Benutzer ermöglicht und auf der Basis von Berechtigungen die Auswahl zwischen dem Zulassen und Blockieren von Aktionen. Der Kernel verwaltet für jeden Prozess die Daten, die es ermöglichen, Berechtigungen zu überprüfen. Meistens werden Prozesse anhand der Benutzer, die ihn gestartet haben, identifiziert. Der Prozess kann nur die Aktionen ausführen, die auch dem Besitzer erlaubt sind. Zum Beispiel muss der Kernel beim Versuch, eine Datei zu öffnen, die Identität des Prozesses hinsichtlich der Zugriffsberechtigungen überprüfen (für mehr Einzelheiten zu diesem speziellen Beispiel siehe
Abschnitt 9.3, „Berechtigungen verwalten“).
