B.4. Alcuni compiti gestiti dal kernel

B.4.1. Gestire l'hardware

Il kernel ha, prima di tutto, il compito di controllare i componenti hardware, individuarli, avviarli quando il computer viene acceso, e così via. Fornisce loro anche software di livello superiore con un'interfaccia di programmazione semplificata, cosicchè le applicazioni possono utilizzare i dispositivi senza doversi preoccupare di dettagli come ad esempio a quale slot di espansione è collegata la scheda aggiuntiva. L'interfaccia di programmazione prevede anche un livello di astrazione; questo permette al software di video-conferenza, ad esempio, di usare una webcam indipendentemente dalla sua marca e modello. Il software è appena in grado di utilizzare l'interfaccia Video for Linux (V4L) ed il kernel traduce le chiamate di funzione di questa interfaccia nei comandi hardware effettivamente necessari alla specifica webcam in uso.

Il kernel esporta molti dettagli sull'hardware rilevato attraverso i file system virtuali /proc/ e /sys/. Diversi strumenti riassumono queste informazioni. Tra questi, lspci (nel pacchetto pciutils) elenca i dispositivi PCI, lsusb (nel pacchetto usbutils) elenca i dispositivi USB e lspcmcia (nel pacchetto pcmciautils) elenca i dispositivi PCMCIA. Questi strumenti sono molto utili per individuare il modello esatto di un dispositivo. Questa identificazione permette anche di effettuare ricerche più precise sul web che, a loro volta, portano a documenti più pertinenti.

Esempio B.1. Esempio di informazioni fornite da lspci e 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

Questi programmi hanno un'opzione -v che riporta informazioni molto più dettagliate (ma di solito non necessario). Infine, il comando lsdev (nel pacchetto procinfo) elenca le risorse di comunicazione utilizzate dai dispositivi.

Applications often access devices by way of special files created within /dev/ (see sidebar FONDAMENTALE Permessi di accesso ai dispositivi). 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. File system

I file system sono uno degli aspetti più importanti del kernel. I sistemi Unix uniscono tutti gli archivi in un'unica gerarchia, che permette agli utenti (ed alle applicazioni) di accedere ai dati semplicemente conoscendo la loro posizione all'interno di tale gerarchia.

Il punto di partenza di questo gerarchia è chiamato radice (root), /. Questa directory può contenere subdirectory. Ad esempio, la directory home sottodirectory di / è chiamata /home/. Questa subdirectory può, a sua volta, contiene altre subdirectory e così via. Ogni directory può contenere anche file, in cui verranno effettivamente memorizzati i dati. Così, il nome /home/marco/Scrivania/ciao.txt si riferisce ad un file chiamato ciao.txt memorizzato in Scrivania subdirectory di marco subdirectory della directory home presente nella radice. Il kernel fa la traduzione tra questo sistema di denominazione e la reale, fisica archiviazione su un disco.

A differenza di altri sistemi, c'è solo un tale gerarchia, e può integrare dati da più dischi. Uno di questi dischi è usato come radice, e gli altri sono "montati" sulle directory nella gerarchia (il comando Unix è chiamato mount); questi altri dischi sono poi disponibili sotto questi "punti di montaggio". Questo permette di memorizzare le directory home degli utenti (di solito memorizzate all'interno di /home/) su un secondo hard disk, che conterrà le directory marco e grazia. Una volta che il disco è montato in /home/, queste directory diventano accessibili alle loro solite posizioni, e percorsi come /home/marco/Scrivania/ciao.txt continueranno a funzionare.

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.

Ci sono anche i file system di rete, come NFS, in cui i dati non sono memorizzati su un disco locale. Invece, i dati vengono trasmessi attraverso la rete a un server che li memorizza e li recupera su richiesta. L'astrazione del file system protegge gli utenti dal dover fare attenzione: i file rimangono di solito accessibili in modo gerarchico.

B.4.3. Funzioni Condivise

Dal momento che un certo numero di stesse funzioni è utilizzato da tutti i software, ha senso che vengano centralizzate nel kernel. Ad esempio, la gestione del file system condiviso permette a qualsiasi applicazione semplicemente aprire un file per nome, senza la necessità di preoccuparsi del modo in cui il file è memorizzato fisicamente. Il file può essere memorizzato in parecchie parti diverse su un disco rigido, o diviso su più dischi rigidi, o anche memorizzato su un file server remoto. Le funzioni di comunicazione condivise vengono utilizzate dalle applicazioni per scambiare dati indipendentemente dal modo in cui i dati vengono trasportati. Per esempio, il trasporto potrebbe avvenire su qualsiasi combinazione di reti locali, wireless oppure attraverso una linea telefonica fissa.

B.4.4. Gestione dei processi

Un processo è un'istanza di un programma in esecuzione. Ciò richiede memoria per memorizzare sia il programma che i suoi dati in esecuzione. Il kermel si occupa della creazione e del loro monitoraggio. Quando un programma viene eseguito, il kernel prima mette da parte un pò di memoria, quindi carica il codice eseguibile dal file system in esso, e poi avvia l'esecuzione del codice. Mantiene le informazioni su questo processo, delle quali la più visibile è il numero identificativo conosciuto come pid (process identifier).

I kernel Unix-like (incluso Linux), come la maggior parte dei sistemi operativi moderni, sono “multi-tasking”. In altre parole, permettono l'esecuzione di molti processi "contemporaneamente". In realtà c'è solo un processo in esecuzione in un dato momento, ma il kernel fraziona il tempo in intervalli ed esegue ogni processo a turno. Poiché questi intervalli di tempo sono molto brevi (in millisecondi), creano l'illusione di processi in esecuzione in parallelo, anche se in realtà sono attivi solo durante alcuni intervalli di tempo e inattivi il resto del tempo. Il lavoro del kernel è quello di regolare il suo meccanismo di pianificazione per mantenere questa illusione, massimizzando le prestazioni globali del sistema. Se gli intervalli di tempo sono troppo lunghi, l'applicazione potrebbe non mostrarsi così reattiva come si desidera. Se sono troppo brevi, il sistema perde tempo a passare da un lavoro (task) ad un'altro troppo frequentemente. Queste decisioni possono essere modificate attraverso le priorità dei processi. I processi ad alta priorità verranno eseguiti per più tempo e con intervalli più frequenti rispetto ai processi a bassa priorità.

NOTA Sistemi Multi-processore (e varianti)

La limitazione sopra descritta, di un solo processo alla volta che può essere eseguito, non si applica sempre. L'attuale restrizione è che ci può essere un solo processo alla volta in esecuzione per core di processore. I sistemi multi-processore, multi-core o "hyper-threading" consentono l'esecuzione di più processi in parallelo. Lo stesso sistema time-slicing è ancora usato, anche se, per gestire i casi in cui vi sono più processi attivi che core disponibili. Questo è tutt'altro che insolito: un sistema di base, anche se inattivo, quasi sempre ha decine di processi in esecuzione.

Naturalmente, il kernel permette di eseguire diverse istanze indipendenti dello stesso programma. Ma ciascuno può accedere solo ai propri intervalli di tempo e memoria. I loro dati rimangono quindi indipendenti.

B.4.5. Gestione dei Diritti

I sistemi Unix-like sono anche multi-utente. Essi forniscono un sistema di gestione dei diritti che supporta utenti e gruppi separati; permette anche il controllo sulle azioni basate sulle autorizzazioni. Il kernel gestisce i dati per ogni processo, permettendo di controllare i permessi. La maggior parte del tempo, il processo è identificato dall'utente che lo ha iniziato. Tale processo è consentito solo per rendere quelle azioni disponibili al suo proprietario. Ad esempio, il tentativo di aprire un file richiede che il kernel controlli l'identità del processo contro le autorizzazioni di accesso (per maggiori dettagli su questo particolare esempio, vedere Sezione 9.3, «Gestione dei permessi»).