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B.4. Quelques fonctions remplies par le noyau

B.4.1. Pilotage du matériel

Le noyau sert d'abord à contrôler les différents composants matériels, les recenser, les mettre en marche lors de l'initialisation de l'ordinateur, etc. Il les rend également disponibles pour les applications de plus haut niveau, avec une interface de programmation simplifiée : les logiciels peuvent ainsi utiliser les périphériques sans se préoccuper de détails de très bas niveau comme l'emplacement dans lequel est enfichée la carte fille. L'interface de programmation offre également une couche d'abstraction qui sert par exemple à un logiciel de visiophonie pour tirer parti d'une webcam de la même manière, quels que soient sa marque et son modèle ; ce logiciel utilise simplement l'interface de programmation V4L (Video for Linux, le quatre se prononçant comme for en anglais) et c'est le noyau qui traduira les appels de fonction de cette interface en commandes spécifiques au type de webcam réellement utilisé.
Le noyau exporte de nombreuses informations sur le matériel qu'il a détecté par l'intermédiaire des systèmes de fichiers virtuels /proc/ et /sys/. Plusieurs utilitaires synthétisent certaines de ces informations : citons lspci (du paquet pciutils) qui affiche la liste des périphériques PCI connectés, lsusb (du paquet usbutils) qui fait de même avec les périphériques USB et lspcmcia (du paquet pcmciautils) pour les cartes PCMCIA. Ces programmes sont très utiles quand il faut pouvoir identifier de manière certaine le modèle d'un périphérique. En outre, cette identification unique permet de mieux cibler les recherches sur Internet et de trouver plus facilement des documents pertinents.

Exemple B.1. Exemple d'informations fournies par lspci et lsusb

$ lspci
[...]
00:02.1 Display controller: Intel Corporation Mobile 915GM/GMS/910GML Express Graphics Controller (rev 03)
00:1c.0 PCI bridge: Intel Corporation 82801FB/FBM/FR/FW/FRW (ICH6 Family) PCI Express Port 1 (rev 03)
00:1d.0 USB Controller: Intel Corporation 82801FB/FBM/FR/FW/FRW (ICH6 Family) USB UHCI #1 (rev 03)
[...]
01:00.0 Ethernet controller: Broadcom Corporation NetXtreme BCM5751 Gigabit Ethernet PCI Express (rev 01)
02:03.0 Network controller: Intel Corporation PRO/Wireless 2200BG Network Connection (rev 05)
$ lsusb
Bus 005 Device 004: ID 413c:a005 Dell Computer Corp.
Bus 005 Device 008: ID 413c:9001 Dell Computer Corp.
Bus 005 Device 007: ID 045e:00dd Microsoft Corp.
Bus 005 Device 006: ID 046d:c03d Logitech, Inc.
[...]
Bus 002 Device 004: ID 413c:8103 Dell Computer Corp. Wireless 350 Bluetooth
These programs have a -v option that lists much more detailed (but usually not necessary) information. Finally, the lsdev command (in the procinfo package) lists communication resources used by devices.
Bien souvent, les applications accèdent aux périphériques par le biais de fichiers spéciaux qui sont créés dans /dev/ (voir encadré B.A.-BA Droits d'accès à un périphérique). Il existe des fichiers spéciaux qui représentent les disques (par exemple /dev/hda et /dev/sdc), les partitions (/dev/hda1 ou /dev/sdc3), la souris (/dev/input/mouse0), le clavier (/dev/input/event0), la carte son (/dev/snd/*), les ports série (/dev/ttyS*), etc.

B.4.2. Systèmes de fichiers

Un des aspects les plus visibles du noyau est celui des systèmes de fichiers. Les systèmes Unix intègrent en effet les différentes méthodes de stockage de fichiers dans une arborescence unique, ce qui permet aux utilisateurs (et aux applications) de stocker ou retrouver des données simplement grâce à leur emplacement dans cette arborescence.
Le point de départ de cette arborescence est la racine, /. Il s'agit d'un répertoire pouvant contenir des sous-répertoires, chacun étant identifié par son nom. Par exemple, le sous-répertoire home de / est noté /home/ ; ce sous-répertoire peut à son tour contenir d'autres sous-répertoires et ainsi de suite. Chaque répertoire peut également contenir des fichiers, qui contiendront les données réellement stockées. Le nom de fichier /home/rmas/Bureau/hello.txt désigne ainsi un fichier appelé hello.txt, stocké dans le sous-répertoire Bureau du sous-répertoire rmas du répertoire home présent à la racine. Le noyau fait alors la traduction entre ce système de nommage de fichiers et leur format de stockage physique sur disque.
Contrairement à d'autres systèmes, cette arborescence est unique et peut intégrer les données de plusieurs disques. L'un de ces disques est alors utilisé comme racine, les autres étant « montés » dans des répertoires de l'arborescence (la commande Unix qui réalise cela est mount) ; ces autres disques sont alors accessibles sous ces « points de montage ». On peut ainsi déporter sur un deuxième disque dur les données personnelles des utilisateurs (qui sont traditionnellement stockées dans /home/). Ce disque contiendra alors les répertoires rhertzog et rmas. Une fois le disque monté dans /home/, ces répertoires deviendront accessibles aux emplacements habituels, et on pourra retrouver /home/rmas/Bureau/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.ext3 (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.
Il existe aussi des systèmes de fichiers réseau, comme NFS, où les données ne sont pas stockées sur un disque local ; elles sont en effet transmises à un serveur sur le réseau, qui les stockera lui-même et les restituera à la demande ; l'abstraction du système de fichiers permet aux utilisateurs de ne pas avoir à s'en soucier : les fichiers resteront accessibles par leurs emplacements dans l'arborescence.

B.4.3. Fonctions partagées

Le noyau est également responsable de fonctions utilisées par tous les logiciels et qu'il est judicieux de centraliser ainsi. Ces fonctions incluent notamment la gestion des systèmes de fichiers, permettant à une application d'ouvrir simplement un fichier en fonction de son nom, sans avoir à se préoccuper de l'emplacement physique du fichier (qui peut se trouver morcelé en plusieurs emplacements d'un disque dur, voire entre plusieurs disques durs, ou stocké à distance sur un serveur de fichiers). Il s'agit également de fonctions de communication, que les applications pourront appeler pour échanger des informations à travers le réseau sans se soucier du mode de transport des données (qui pourront transiter sur un réseau local, une ligne téléphonique, un réseau sans fil ou une combinaison de tout cela).

B.4.4. Gestion des processus

Un processus correspond à un programme en cours d'exécution. Ceci inclut une zone de mémoire dans laquelle est stocké le programme lui-même, mais également l'ensemble des données sur lesquelles le programme travaille. Le noyau est responsable de la création des processus et de leur suivi : lorsqu'un programme est lancé, le noyau met de côté cette zone de mémoire qu'il réserve au processus, y charge (depuis le disque) le code du programme et lance l'exécution. Il garde également des informations qui concernent ce processus, notamment un numéro d'identification (pid, pour process identifier).
Les noyaux de type Unix (dont fait partie Linux), comme la plupart des systèmes d'exploitation modernes, sont dits « multi-tâches », c'est-à-dire qu'ils permettent l'exécution « simultanée » de nombreux processus. En réalité, un seul processus peut fonctionner à un instant donné ; le noyau découpe alors le fil du temps en fines tranches et exécute les différents processus à tour de rôle. Comme ces intervalles de temps ont des durées très courtes (de l'ordre de la milliseconde), l'utilisateur a l'illusion de programmes s'exécutant en parallèle, alors qu'ils ne sont en réalité actifs que pendant certains intervalles et suspendus le reste du temps. La tâche du noyau est d'ajuster ses mécanismes d'ordonnancement pour parfaire cette illusion tout en maximisant les performances globales du système : si les intervalles sont trop longs, l'application manquera de réactivité vis-à-vis de l'utilisateur ; s'ils sont trop courts, le système perdra du temps à basculer d'une tâche à l'autre trop souvent. Ces décisions peuvent être influencées par des notions de priorités affectées à un processus ; un processus de haute priorité bénéficiera pour s'exécuter d'intervalles de temps plus longs et plus fréquents qu'un processus de basse priorité.
Bien entendu, le noyau autorise l'exécution en parallèle de plusieurs processus correspondant au même programme : chacun dispose alors de ses propres intervalles de temps pour s'exécuter, ainsi que de sa zone de mémoire réservée. Comme un processus n'a accès qu'à sa propre zone de mémoire, les données de chacun restent indépendantes.

B.4.5. Gestion des permissions

Les systèmes de type Unix sont également multi-utilisateurs. Ils intègrent une notion de droits séparant les utilisateurs et les groupes d'utilisateurs entre eux ; ils autorisent ou non certaines actions en fonction de l'ensemble de droits dont on dispose. Le noyau gère donc, pour chaque processus, un ensemble de données qui vérifient les permissions de ce processus. En règle générale, il s'agit de « l'identité » sous laquelle tourne le processus, qui correspond le plus souvent au compte utilisateur qui a déclenché son exécution. Beaucoup d'actions ne pourront être menées à bien par le processus que s'il dispose des permissions requises. Par exemple, l'opération d'ouverture d'un fichier est subordonnée à une vérification de la compatibilité entre les permissions du fichier et l'identité du processus (cet exemple particulier est détaillé dans la Section 9.3, « Gestion des droits »).