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: 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
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.
Anwendungen greifen häufig mittels spezieller in
/dev/ erzeugter Dateien auf Geräte zu (siehe Seitenleiste
ZURÜCK ZU DEN GRUNDLAGEN Zugriffsberechtigungen für Geräte). Dies sind besondere Dateien, die Plattenlaufwerke (zum Beispiel
/dev/hda und
/dev/sdc), Partitionen (
/dev/hda1 oder
/dev/sdc3), Mäuse (
/dev/input/mouse0), Tastaturen (
/dev/input/event0), Soundkarten (
/dev/snd/*), serielle Schnittstellen (
/dev/ttyS*) und so weiter repräsentieren.
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.
Es gibt zahlreiche Dateisystemformate entsprechend den zahlreichen Arten, auf die Daten physisch auf Platten gespeichert werden. Die bekanntesten sind ext3 und ext4, es gibt aber auch andere. vfat ist zum Beispiel das System, das ursprünglich von DOS und den Windows-Betriebssystemen verwendet wurde, mit dem es möglich ist, Festplatten sowohl unter Debian als auch unter Windows zu benutzen. In jedem Fall muss auf einer Platte ein Dateisystem eingerichtet werden, bevor sie eingehängt werden kann, und dieser Vorgang wird als „formatieren“ bezeichnet. Befehle wie mkfs.ext3 (wobei mkfs für MaKe FileSystem steht) erledigen das Formatieren. Diese Befehle benötigen als einen ihrer Parameter eine Gerätedatei, die die zu formatierende Partition darstellt (zum Beispiel /dev/sda1). Dieser Vorgang ist löschend und sollte nur einmal ausgeführt werden, es sei denn, man möchte absichtlich ein Dateisystem unwiederbringlich löschen und von Neuem beginnen.
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“).
