Wprowadzenie

System operacyjny Linux, podobnie jak inne systemy uniksowe, jest zbudowany na zasadzie architektury warstwowej, która umożliwia efektywne zarządzanie zasobami i zapewnia stabilność oraz bezpieczeństwo. Każda z warstw w architekturze pełni konkretne funkcje, a jej zadania są dobrze zdefiniowane. Dzięki temu system może być jednocześnie elastyczny i niezawodny.

W tej lekcji przyjrzymy się dokładnie każdej warstwie w architekturze Linuksa i poznamy sposób, w jaki te warstwy współpracują ze sobą.

Warstwy Architektury Systemu Linux

Architektura systemu operacyjnego Linux składa się z czterech głównych warstw:

1. Warstwa sprzętowa
2. Jądro systemu (kernel)
3. Warstwa interfejsu systemowego
4. Warstwa aplikacji użytkownika

Każda z tych warstw pełni odmienną rolę, ale razem tworzą integralną całość, która umożliwia sprawne działanie systemu.

1. Warstwa sprzętowa

Definicja:
Warstwa sprzętowa jest najniższą warstwą systemu operacyjnego i obejmuje wszystkie fizyczne komponenty komputera, takie jak procesor, pamięć, dyski, karty sieciowe, urządzenia wejścia/wyjścia (klawiatura, mysz), oraz inne peryferia.

Rola:
Warstwa sprzętowa zapewnia moc obliczeniową i przestrzeń, na której działają wyższe warstwy systemu operacyjnego. W systemie Linux wszystkie urządzenia są reprezentowane jako pliki wirtualne w systemie plików, co pozwala na ujednolicenie zarządzania sprzętem przez warstwy wyższego poziomu.

Przykład:
Karta sieciowa w komputerze fizycznie łączy urządzenie z siecią, ale komunikacja między kartą a użytkownikiem odbywa się za pośrednictwem jądra, które pośredniczy w przekazywaniu danych.

2. Jądro systemu (kernel)

Definicja:
Jądro to centralna część systemu operacyjnego Linux, odpowiedzialna za zarządzanie sprzętem i zasobami systemowymi. Działa jako most między sprzętem a oprogramowaniem aplikacyjnym, zapewniając bezpośrednią komunikację z warstwą sprzętową.

Rola:
Jądro wykonuje kluczowe funkcje, takie jak:

• Zarządzanie procesami: Alokuje czas procesora między różnymi procesami.
• Zarządzanie pamięcią: Decyduje, które procesy mają dostęp do pamięci, zarządza pamięcią wirtualną.
• System plików: Obsługuje różne systemy plików, zarządza plikami i katalogami.
• Zarządzanie urządzeniami: Jądro korzysta z modułów (sterowników), aby komunikować się z urządzeniami.

Przykład:
Kiedy uruchamiamy aplikację, jądro tworzy nowy proces, alokuje mu pamięć, a następnie przydziela czas procesora. To właśnie jądro decyduje, kiedy aplikacja będzie mogła korzystać z zasobów.

3. Warstwa interfejsu systemowego

Definicja:
Warstwa interfejsu systemowego stanowi zestaw bibliotek i interfejsów API (Application Programming Interface), które umożliwiają aplikacjom komunikację z jądrem. W Linuksie nazywa się to często biblioteką GNU C (glibc), która zawiera wszystkie podstawowe funkcje systemu.

Rola:
Warstwa ta działa jako pośrednik między aplikacjami użytkownika a jądrem systemu. Zamiast komunikować się bezpośrednio z jądrem, aplikacje mogą korzystać z funkcji dostępnych w glibc. Dzięki temu deweloperzy mogą pisać programy, które łatwo wykorzystują zasoby systemowe.

Przykład:
Gdy aplikacja chce utworzyć plik, korzysta z funkcji systemowej open() z glibc, która następnie komunikuje się z jądrem. Jest to znacznie prostsze niż ręczne zarządzanie pamięcią czy operacjami wejścia/wyjścia.

4. Warstwa aplikacji użytkownika

Definicja:
Warstwa aplikacji użytkownika obejmuje wszystkie programy i narzędzia, z których korzysta użytkownik końcowy, w tym powłokę systemową (shell) oraz aplikacje, takie jak edytory tekstu, przeglądarki, i gry.

Rola:
Warstwa aplikacji użytkownika jest ostatnią warstwą, w której użytkownik wchodzi w bezpośrednią interakcję z systemem operacyjnym. Ta warstwa korzysta z funkcji dostępnych w API, aby wykorzystywać zasoby systemu do różnych zadań, takich jak przetwarzanie tekstu czy przeglądanie internetu.

Przykład:
Terminal systemu Linux jest powłoką użytkownika, która umożliwia użytkownikom interakcję z systemem poprzez wpisywanie poleceń. Gdy użytkownik wpisze ls, powłoka wysyła polecenie do jądra za pomocą interfejsu systemowego.

Podsumowanie

Warstwowa architektura systemu Linux zapewnia wyraźny podział zadań, co umożliwia lepsze zarządzanie zasobami, stabilność systemu oraz elastyczność. Każda warstwa pełni kluczową rolę:

• Warstwa sprzętowa dostarcza fizycznych zasobów.
• Jądro zarządza zasobami systemowymi i komunikuje się bezpośrednio z warstwą sprzętową.
• Warstwa interfejsu systemowego ułatwia dostęp do funkcji jądra.
• Warstwa aplikacji użytkownika dostarcza narzędzi, które umożliwiają użytkownikowi interakcję z systemem.