B.3. コンピュータ内部の仕組み、さまざまな層の関係性

コンピュータはどちらかと言えば抽象的なものとして考えられる場合が多く、外から見えるインターフェースは内部の複雑さに比べてずっと簡単なものです。この複雑さの原因は関連する要素が多いことです。しかしながら、これらの要素は層状構造とみなすことが可能で、ある層が影響をおよぼしたり影響を受けたりするのはその層の真上と真下の層に限られています。

すべてがうまく動作している限り、エンドユーザは各層の詳細を理解する必要はありません。「インターネットにつながらない!」などの問題に直面した場合、真っ先にやるべきは、問題の原因になっている層を特定することです。ネットワークカード (ハードウェア) は動いていますか? コンピュータはネットワークカードを認識していますか? Linux カーネルはネットワークカードを認識していますか? ネットワークパラメータは適切に設定されていますか? これらの質問により、コンピュータは適切な層に分割され、問題の本質的な原因になっている層を特定することが可能です。

B.3.1. 最下層、ハードウェア

基本的なことを思い出すことから始めましょう。何よりもまず、コンピュータはハードウェア部品の集合体である、という点です。ほとんどの場合、主要基板 (マザーボードとして知られています) があり、主要基板に 1 台 (または複数台) のプロセッサ、RAM、デバイスコントローラ、(他のデバイスコントローラを搭載する) 拡張カードを差し込む拡張スロットが取り付けられています。最も注目すべきコントローラはハードディスクなどのストレージデバイスを接続する IDE (パラレル ATA)、SCSI、シリアル ATA です。その他のコントローラには、多くのさまざまなデバイス (ウェブカメラから温度計、キーボードからホームオートメーションシステムなど) をホストすることが可能な USB と IEEE 1394 (Firewire) があります。これらのコントローラには複数のデバイスを接続することが可能です。このため、コントローラによって取り扱われる完全なサブシステムは「バス」と呼ばれます。拡張カードにはグラフィックカード (モニタ画面をここに接続します)、サウンドカード、ネットワークインターフェースカードなどがあります。一部のマザーボードはいくつかの機能をあらかじめ備えており、拡張カードを必要としません。

IN PRACTICE ハードウェアが動作していることの確認

ハードウェアの一部が動作していることを確認することは難しいです。逆に、ハードウェアが動作していないことを証明することはとても簡単です。

ハードディスクドライブは回転する円盤と移動する磁気ヘッドから構成されています。ハードディスクの電源を入れると、円盤モータから特徴的な音が聞こえます。さらに円盤モータはエネルギーを熱として放出します。従って、電源を入れても冷たいままで、音が聞こえないハードディスクドライブは故障しています。

ネットワークカードは多くの場合リンク状態を示す LED を備えています。ケーブルが装着されており、そのケーブルが動いているネットワークハブまたはスイッチにつなげられている場合、少なくとも 1 つの LED が点灯しているはずです。すべての LED が消灯している場合、ネットワークカード本体、ネットワーク機器、両者をつなげるケーブルのどれかが壊れています。それ故、次の段階では各要素を個別にテストします。

一部の拡張カード (特に 3D ビデオカード) はヒートシンクやファンなどの冷却装置を備えています。カードの電源が入っているにも関わらずファンが回転していない場合、もっともらしい状況はカードが過熱している状況です。マザーボードに装着されているプロセッサにも同じことが言えます。

B.3.2. スタート係、BIOS や UEFI

ハードウェアはひとりでに動くものではありません。ハードウェアを制御するソフトウェアがなければ、ハードウェアをまともに動作させることはできません。オペレーティングシステムとアプリケーションはハードウェアを制御したりハードウェアと情報をやり取りする機能を提供します。そしてこれを行うためにはハードウェアを正常に機能させる必要があります。

This symbiosis between hardware and software does not happen on its own. When the computer is first powered up, some initial setup is required. This role is assumed by the BIOS or UEFI, a piece of software embedded into the main board that runs automatically upon power-up. Its primary task is searching for software it can hand over control to. Usually, as you may have learned in 第 9.1 節「システム起動」, in the BIOS case, this involves looking for the first hard disk with a boot sector (also known as the master boot record or MBR), loading that boot sector, and running it. From then on, the BIOS is usually not involved (until the next boot). In the case of UEFI, the process involves scanning disks to find a dedicated EFI partition containing further EFI applications to execute.

TOOL Setup、BIOS/UEFI 設定ツール

The BIOS/UEFI also contains a piece of software called Setup, designed to allow configuring aspects of the computer. In particular, it allows choosing which boot device is preferred (for instance, you can select a USB key or a CD-ROM drive instead of the default harddisk), setting the system clock, and so on. Starting Setup usually involves pressing a key very soon after the computer is powered on. This key is often Del or Esc, sometimes F2, F5, F8, or F10. Most of the time, the choice is flashed on screen while booting. If not, you best check the manual of your mainboard or your computer.

ブートセクタ (または EFI パーティション) には別のソフトウェアが保存されています。これはブートローダと呼ばれ、オペレーティングシステムを探して実行するためのものです。ブートローダはマザーボードに組み込まれているのではなく、ディスクから読み込まれます。このため、BIOS よりも多くの機能を持っています。BIOS 自身がオペレーティングシステムを読み込まないのはこれが理由です。たとえば、ブートローダ (Linux システムでは GRUB を使うことが多いです) は利用できるオペレーティングシステムを表示し、ユーザに起動するオペレーティングシステムを尋ねることが可能です。通常、タイムアウトとデフォルトの回答が設定されています。ここでユーザはカーネルに渡すパラメータを追加したりすることも可能です。最終的に、カーネルが見つかり、メモリに読み込まれ、実行されます。

NOTE UEFI、BIOS の現代的な置き換え

BIOS (which stands for Basic Input/Output System) is a software that is included in the motherboard - the electronic board connecting all peripherals - and executed when the computer is booted, in order to load an operating system (via an adapted bootloader). It stays in the background to provide an interface between the hardware and the software (in our case, the Linux kernel).

In 2005/2006 its successor, the UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) specification, has been published. This specification defines an interface that has the same purpose as the BIOS, but tries to provide more usability, extensibility, and flexibility, a graphical user interface, and true 64bit support. And it got rid of some of the limitations of BIOS booting: with the usage of a dedicated partition, the bootloaders no longer need special tricks to fit in a tiny master boot record and then discover the kernel to boot. Even better, with a suitably built Linux kernel, UEFI can directly boot the kernel without any intermediary bootloader. UEFI is also the basic foundation used to deliver Secure Boot, a technology ensuring that you run only software validated by your operating system vendor.

Nowadays, most new computers will boot in UEFI mode by default, but usually they also support BIOS booting alongside for backwards compatibility with operating systems that are not ready to exploit UEFI. This is called the Compatibility Support Mode/Module (CSM). But, several manufacturers have either announced to cease support for the legacy BIOS mode in their UEFI implementation, or they already did. This transition, however, has not been without discussion nor without criticism.

また、BIOS/UEFI は多数のデバイスを検出して初期化します。言うまでもなくこのデバイスには、IDE/SATA デバイス (通常ハードディスクおよび CD/DVD-ROM デバイス) だけでなく PCI デバイスも含まれます。検出されたデバイスは起動処理中に画面に表示されます。デバイスリストがすぐに消えてしまう場合、Pause キーを押せば表示を中止して内容を読むことが可能です。インストールされた PCI デバイスがリストに含まれないのは悪い兆しです。最悪の場合、デバイスは欠陥品ということになります。良くても、デバイスは BIOS またはマザーボードの現在のバージョンと互換性がないということになります。PCI 仕様は進化しており、古いマザーボードで新しい PCI デバイスを使える保証はありません。

B.3.3. カーネル

BIOS/UEFI とブートローダはそれぞれ数秒間だけ実行されます。これでついに、長時間実行するソフトウェアであるオペレーティングシステムカーネルに到達します。カーネルはオーケストラで言えば指揮者の役割を果たし、ハードウェアとソフトウェア間の調整を行います。カーネルは複数の作業を担当しています。具体的に言えば、ハードウェアの駆動、プロセスの管理、ユーザとパーミッションの管理、ファイルシステムの管理などを担当しています。カーネルはシステム上のすべての他のプログラムに共通基盤を提供するものです。

B.3.4. ユーザ空間

カーネル以外のすべては「ユーザ空間」の意味でひとくくりにされますが、「ユーザ空間」をさらにいくつかのソフトウェア層に分割することが可能です。しかしながら、ソフトウェア層同士の相互作用は以前に比べてさらに複雑化しており、ソフトウェア層の分類分けは単純ではありません。アプリケーションは一般にライブラリを使います。ライブラリはカーネルと通信しますが、通信には他のプログラムまたはさらに多くのライブラリが必要です。