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: 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
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.
Приложения часто получают доступ к устройствам через специальные файлы, созданные в
/dev/ (см. на боковой панели
К ОСНОВАМ Права доступа к устройству). Это специальные файлы, представляющие дисковые устройства (например,
/dev/hda и
/dev/sdc), разделы (
/dev/hda1 или
/dev/sdc3), мыши (
/dev/input/mouse0), клавиатуры (
/dev/input/event0), звуковые карты (
/dev/snd/*), серийные порты (
/dev/ttyS*) и так далее.
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.
Существует множество форматов файловых систем, соответствующих множеству способов физического хранения данных на диске. Наиболее широко известны: ext3 и ext4, но есть и другие. Например, vfat исторически используется в операционных системах DOS и Windows, и позволяет использовать жёсткие диски как в Debian так и в Windows. В любом случае, файловая система должна быть подготовлена на диске перед тем, как он будет монтироваться (эта операция известна как “форматирование”). Команды, такие как mkfs.ext3 (где mkfs от MaKe FileSystem) производят форматирование. Эти команды требуют, в качестве параметра, путь и название файла устройства представляющий форматируемый раздел (например, /dev/sda1). Эта операция уничтожает всю хранящуюся на разделе информацию и должна выполняться только один раз, за исключением тех случаев, если нужно будет уничтожить файловую систему и создать все заново.
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»).
