B.4. Algunas tareas administradas por el núcleo
B.4.1. Administración del hardware
El núcleo tiene, antes que nada, la tarea de controlar las partes del hardware, detectarlas, encenderlas cuando se enciende el equipo, etc. También los pone a disposición del software de más alto nivel con una interfaz de programación simplificada para que las aplicaciones puedan aprovechar dispositivos sin tener que preocuparse por detalles como cuál puerto de extensión es aquél en el que está conectada una tarjeta. La interfaz de programación también provee una capa de abstracción; permite, por ejemplo, que el software de videoconferencias utilice una cámara web independientemente de su modelo y fabricante. El software puede utilizar simplemente la interfaz video para Linux (V4L: «Video for Linux») y el núcleo traduce las llamadas a las funciones de esta interfaz a las órdenes de hardware reales que necesita la cámara específica que está utilizando.
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.
Ejemplo B.1. Ejemplo de información provista por lspci y 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
Estos programas tienen una opción -v, que mostrará información mucho más detallada (pero generalmente innecesaria). Finalmente, el programa lsdev (en el paquete procinfo) enumera los recuros de comunicación utilizados por los dispositivos.
Las aplicaciones frecuentemente acceden a los dispositivos a través de archivos especiales creados en
/dev/ (revise el recuadro
VOLVER A LOS CIMIENTOS Permisos de acceso a dispositivos). Éstos son archivos especiales que representan discos (por ejemplo:
/dev/hda y
/dev/sdc), particiones (
/dev/hda1 o
/dev/sdc3, ratones (
/dev/input/mouse0), teclados (
/dev/input/event0), tarjetas de sonido (
/dev/snd/*), puertos seriales (
/dev/ttyS*), etc.
B.4.2. Sistemas de archivos
Los sistemas de archivos son uno de los aspectos más destacados del núcleo. Los sistemas Unix agrupan todos los archivos que almacenan en una jerarquía única, lo que permite a los usuarios (y las aplicaciones) acceder a los datos simplemente conociendo su ubicación dentro de dicha jerarquía.
El nombre del punto de partida de este árbol jerárquico es la raíz, /. Este directorio puede tener subdirectorios con nombres. Por ejemplo, el nombre del subdirectorio home de / es /home/. Este subdirectorio, a su vez, puede contener otros subdirectorios y así sucesivamente. Cada directorio también puede contener archivos, donde se almacenarán los datos en sí. Por lo tanto, el nombre /home/rmas/Desktop/hello.txt se refiere al archivo hello.txt almacenado en el subdirectorio Desktop del subdirectorio rmas del directorio home presente en la raíz. El núcleo traduce este sistema de nombres en el almacenamiento físico real en un disco.
A diferencia de otros sistemas, existe sólo una jerarquía de este tipo que puede integrar datos de varios discos. Se utiliza uno de estos discos como raíz y los demás son «montados» en directorios de la jerarquía (el programa Unix se llama mount); luego estos otros discos estarán disponibles bajo estos «puntos de montaje». Esto permite almacenar los directorios personales de los usuarios (tradicionalmente almacenados en /home/) en un disco secundario que contendrá directorios rhertzog y rmas. Una vez que se montó el disco en /home/, estos directorios estarán disponibles en su ubicación usual y continuarán funcionando las rutas como /home/rmas/Desktop/hello.txt.
Hay muchos sistemas de archivos que corresponden con muchas formas de almacenar físicamente los datos en discos. Los más conocidos son, ext3 y ext4, pero existen otros. Por ejemplo, vfat es el sistema de archivos utilizado históricamente por los sistemas operativos DOS y Windows, lo que permite utilizar discos duros tanto en Debian como en Windows. En cualquier caso, un sistema de archivos debe ser preparado en un disco antes que pueda ser montado, se conoce esta operación como «dar formato». Los programas como mkfs.ext3 (donde mkfs significa crear sistema de archivos: «MaKe FileSystem») se encargan de esta operación. Estos programas necesitan, como parámetro, un archivo de dispositivo que representa la partición a la que dar formato (por ejemplo: /dev/sda1). Esta operación es destructiva y sólo debe ejecutarla una vez, excepto cuando uno desee eliminar deliberadamente un sistema de archivos y comenzar nuevamente desde cero.
Existen tambien sistemas de archivos de red, como
NFS, en el que los datos no son almacenados en un disco local. En su lugar, se transmiten los datos a través de la red a un servidor que los almacena y obtiene a pedido. La abstracción del sistema de archivos evita que al usuario le importe: los archivos continúan disponibles en la forma jerárquica usual.
B.4.3. Funciones compartidas
Debido a que una cantidad de funciones son utilizadas por todo software, tiene sentido centralizarlas en el núcleo. Por ejemplo, la gestión compartida de sistemas de archivos permite que cualquier aplicación simplemente abra un archivo, sin preocuparse dónde está almacenado físicamente dicho archivo. Éste puede estar almacenado en diferentes porciones de un disco duro, dividido entre varios discos duros o inclusive almacenado en un servidor remoto. Las funciones de comunicación compartidas son utilizadas por las aplicaciones para intercambiar datos independientemente de la forma en la que se transportan los mismos. Por ejemplo, el transporte puede ser a través de una combinación de redes locales o inalámbricas o a través de una línea telefónica terrestre.
B.4.4. Gestión de proceso
Un proceso es una instancia en ejecución de un programa. Esto necesita memoria para almacenar tanto el programa en sí como los datos con los que trabaja. El núcleo es el encargado de crearlos y seguirlos. Cuando se ejecuta un programa, primero el núcleo reserva memoria, carga en ella el código ejecutable desde el sistema de archivos y luego inicia la ejecución de este código. Mantiene información sobre este proceso, de las que la más visible es un número de identificación conocido como pid (identificador de proceso: «process identifier»).
Los núcleos similares a Unix (incluyendo a Linux), al igual que muchos otros sistemas operativos modernos, poseen la capacidad de ser «multitarea». En otras palabras, permite ejecutar muchos procesos «al mismo tiempo». En realidad sólo hay un proceso ejecutando en un momento dado, pero el núcleo divide el tiempo en pequeñas porciones y ejecuta en orden a cada proceso. Debido a que estas divisiones de tiempo son muy pequeñas (en el rango de los milisegundos), crean la ilusión de procesos ejecutando en paralelo, aún cuando sólo están activos durante algunos intervalos y en espera el resto del tiempo. La tarea del kernel es ajustar con mecanismos planeados para mantener esa ilusión, mientras se maximiza el rendimiento global del sistema. Si las divisiones de tiempo son muy extensas, la aplicación puede que no responda como se desea. Si son muy pequeñas, el sistema perderá tiempo cambiando tareas demasiado frecuentemente. Se pueden personalizar estas decisiones con las prioridades de procesos. Los procesos con prioridad alta ejecutarán por más tiempo y en intervalos más frecuentes que los procesos con prioridad baja.
Por supuesto, el núcleo permite ejecutar varias instancias independientes del mismo programa. Pero cada una de ellas sólo puede acceder sus propias divisiones de tiempo y su propia memoria. Sus datos, por lo tanto, se mantienen independientes.
B.4.5. Gestión de permisos
Los sistemas similares a Unix también son multiusuario. Proveen un sistema que permite usuarios separados y grupos; también permite la capacidad de decidir permitir o bloquear acciones según sus permisos. El núcleo gestiona, para cada proceso, permitiéndole controlar los permisos. La mayor parte del tiempo, cada proceso es identificado por el usuario que lo inició. Ese proceso sólo puede realizar las acciones que pueda realizar su dueño. Por ejemplo, intentar abrir un archivo requiere que el núcleo verifique la identidad del proceso según los permisos de acceso (para más detalles sobre este ejemplo particular, revise la
Sección 9.3, “Administración de permisos”).
