B.4. Некоторые Выполняемые Ядром Задачи
B.4.1. Управление Оборудованием
Ядро, прежде всего, предназначено для контролирования оборудования, его обнаружения, его включения когда компьютер запускается и так далее. Это также делает оборудование доступным для программного обеспечения более высокого уровня с упрощенным интерфейсом программирования, так что последнее может воспользоваться преимуществами устройств, не беспокоясь о деталях, таких как: в какой слот расширения вставлена дополнительная плата. Программный интерфейс также предоставляет уровень абстракции; это позволяет, например, программе для видео-конференции использовать веб-камеру независимо от ее производителя и модели. Программа может просто использовать интерфейс Video for Linux (V4L), а ядро транслирует функциональные вызовы этого интерфейса в фактические машинные команды, необходимые для использования веб-камеры.
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.
Пример B.1. Пример информации, предоставляемой lspci и 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
Эти программы имеют опцию -v, с которой выводятся списки с более подробной (но зачастую не необходимой) информацией. Наконец, команда lsdev (из пакета procinfo) выводит список коммуникационных ресурсов, используемых устройствами.
Applications often access devices by way of special files created within
/dev/ (see sidebar
К ОСНОВАМ Права доступа к устройству). 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.
Файловые системы - один из наиболее выдающихся аспектов ядра. Unix системы соединяют все хранилища файлов в одну единственную иерархическую систему, которая позволяет пользователям (и приложениям) получать доступ к данным просто, зная их местоположение в этой иерархии.
Начальная точка этого иерархического дерева называется корнем, /. Этот каталог может содержать именованные подкаталоги. Например, подкаталог home каталога / называется /home/. Эти подкаталоги могут, в свою очередь, содержать другие подкаталоги и так далее. Каждый каталог также может содержать файлы, в которых фактически и хранятся данные. Таким образом, имя /home/rmas/Desktop/hello.txt ссылается на файл с именем hello.txt, хранящийся в подкаталоге Desktop подкаталога rmas подкаталога home корневого каталога. Ядро занимается преобразованием между этой системой именования и фактической, физической памятью на диске.
В отличии от других систем, есть только одна такая иерархия, и она может содержать данные с разных дисков. Один из этих дисков используется в качестве корня, а остальные - монтируются как каталоги в этой иерархии (в Unix команда называется mount); после чего, эти диски становятся доступны в этих "точках монтирования". Это позволяет хранить домашние каталоги пользователей (традиционно хранятся в /home/) на втором жёстком диске, который будет содержать каталоги rhertzog и rmas. После того как диск монтируется в /home/, эти каталоги становятся доступны в их обычных местах, и будут работать пути, такие как /home/rmas/Desktop/hello.txt.
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.
Также есть и сетевые файловые системы такие как
NFS, в которых данные на хранятся на локальном диске. Вместо этого, данные передаются через сеть на сервер, который хранит и извлекает их по требованию. Абстракция файловой системы защищает пользователей от необходимости беспокоится о том, чтобы файлы оставались по их обычному иерархическому пути.
Поскольку некоторые функции используются всем программным обеспечением, имеет смысл их централизация в ядре. Например, общая файловая система позволяет любому приложению просто открыть файл по его имени, не заботясь о том, где физически находится файл. Файл может храниться, разделенным на множество частей, на одном или нескольких жёстких дисках или на уделенном сервере. Общие функции взаимодействия используются приложениями для обмена данными, независимо от способа их передачи. К примеру, пусть может проходить через комбинацию локальных или беспроводных сетей, или по телефонной линии.
B.4.4. Управление Процессами
Процесс - запущенный экземпляр программы. Он требует памяти для хранения как самой программы, так и ее оперативных данных. Ядро отвечает за их создание и отслеживание. Когда программа запускается, ядро выделяет некоторый объем памяти, потом загружает исполняемый код из файловой системы в эту память, а затем начинает исполнение этого кода. Оно хранит сведения об этом процессе, наиболее просматриваемое из которых - идентификационный номер, известный как pid (от англ. process identifier).
Unix-подобные ядра (включая Linux), как и большинство других современных операционных систем, поддерживают “многозадачность”. Другими словами, они позволяют запускать много процессов "одновременно". Хотя на самом деле только один процесс выполняется в одну единицу времени, но ядро делит время на маленькие промежутки и исполняет каждый процесс пошагово. Так как эти временные интервалы очень короткие (в диапазоне миллисекунды), создается иллюзия параллельного выполнения процессов, хотя на самом деле они активны только в течение нескольких временных промежутков и простаивают остальную часть времени. Работа ядра заключается в регулировании его механизма планирования для поддержания этой иллюзии, увеличивая производительность системы в целом. Если временные интервалы слишком большие, приложение может показаться не таким отзывчивым как хотелось бы. Если слишком короткие, то система будет терять много времени на переключение между задачами. Эти решения могут изменяться с приоритетами процессов. Процессы с высоким приоритетом будут работать дольше и с большей частотой временных промежутков нежели процессы с низким приоритетом.
Конечно, ядро позволяет запускать несколько независимых экземпляров одной и той же программы. Но каждый из них имеет доступ только к собственным временным интервалам и памяти. Их данные, таким образом, остаются независимыми.
B.4.5. Управление Правами
Также Unix-подобные системы являются многопользовательскими. Они предоставляют систему управления правами, которая поддерживает создание отдельных пользователей и групп; она также позволяет контролировать действия на основе разрешений. Ядро управляет данными для каждого процесса, что позволяет контролировать разрешения. Большую часть времени процесс идентифицируется пользователем, запустившем его. Этот процесс имеет право на действия, доступные его владельцу. Например, попытка открыть файл, требует от ядра проверить идентификатор процесса для предоставления доступа (для более подробной информации по данному примеру, см.
Раздел 9.3, «Управление правами»).
