За что отвечает ядро операционной системы
ИТ База знаний
Полезно
— Онлайн генератор устойчивых паролей
— Онлайн калькулятор подсетей
— Руководство администратора FreePBX на русском языке
— Руководство администратора Cisco UCM/CME на русском языке
— Руководство администратора по Linux/Unix
Навигация
Серверные решения
Телефония
FreePBX и Asterisk
Настройка программных телефонов
Корпоративные сети
Протоколы и стандарты
Что такое ядро операционной системы
Основные функции, которые выполняет ядро:
Теперь давайте разберемся подробнее в этих функциях ядра.
Функции ядра в операционной системе
Управление процессами
Создание, выполнение и завершение процессов выполняются внутри системы всякий раз, когда система находится во включенном состоянии (режиме ON). Процесс содержит всю информацию о задаче, которую необходимо выполнить. Таким образом, для выполнения любой задачи внутри системы создается процесс. В то же время существует множество процессов, которые находятся в активном состоянии внутри системы. Управление всеми этими процессами очень важно для предупреждения тупиковых ситуаций и для правильного функционирования системы, и оно осуществляется ядром.
Управление памятью
Всякий раз, когда процесс создается и выполняется, он занимает память, и когда он завершается, память должна быть освобождена и может быть использована снова. Но память должна быть обработана кем-то, чтобы освобожденная память могла быть снова назначена новым процессам. Эта задача также выполняется ядром. Ядро отслеживает, какая часть памяти в данный момент выделена и какая часть доступна для выделения другим процессам.
Управление устройствами
Ядро также управляет всеми различными устройствами, подключенными к системе, такими как устройства ввода и вывода и т. д.
Обработка прерываний
При выполнении процессов возникают условия, при которых сначала необходимо решить задачи с большим приоритетом. В этих случаях ядро должно прерывать выполнение текущего процесса и обрабатывать задачи с большим приоритетом, которые были получены в промежутке.
Операции ввода/вывода
Поскольку ядро управляет всеми подключенными к нему устройствами, оно также отвечает за обработку всех видов входных и выходных данных, которыми обмениваются эти устройства. Таким образом, вся информация, которую система получает от пользователя, и все выходные данные, которые пользователь получает через различные приложения, обрабатываются ядром.
Типы ядер в операционной системе
Ядро подразделяется на два основных типа:
Существует еще один тип ядра, который является комбинацией этих двух типов ядер и известен как гибридное ядро. Рассмотрим каждый из них вкратце.
Монолитное Ядро
В этом типе архитектуры ядра все функции, такие как управление процессами, управление памятью, обработка прерываний и т. д. выполняются в пространстве ядра.Монолитные ядра сначала состояли только из одного модуля, и этот модуль отвечал за все функции, которые выполнялись ядром. Это увеличило производительность ОС, так как все функции присутствовали внутри одного модуля, но это также привело к серьезным недостаткам, таким как большой размер ядра, очень низкая надежность, потому что даже если одна функция ядра отказала, это привело к отказу всей программы ядра и плохому обслуживанию, по той же причине. Таким образом, для повышения производительности системы был применен модульный подход в монолитных ядрах, в которых каждая функция присутствовала в отдельном модуле внутри пространства ядра. Таким образом, для исправления любых ошибок или в случае сбоя, только этот конкретный модуль был выгружен и загружен после исправления.
Микроядра
В этом типе архитектуры ядра основные пользовательские службы, такие как управление драйверами устройств, управление стеком протоколов, управление файловой системой и управление графикой, присутствуют в пространстве пользователя, а остальные функции управление памятью, управление процессами присутствует внутри пространства ядра. Таким образом, всякий раз, когда система имеет потребность в услугах, присутствующих в пространстве ядра, ОС переключается в режим ядра, а для служб пользовательского уровня она переключается в режим пользователя. Этот тип архитектуры ядра уменьшает размер ядра, но скорость выполнения процессов и предоставления других услуг значительно ниже, чем у монолитных ядер.
Гибридное Ядро
Для наилучшей производительности системы нам требуется как высокая скорость, так и малый размер ядра, чтобы наша система могла иметь максимальную эффективность. Поэтому для решения этой задачи был разработан новый тип ядра, который представлял собой комбинацию монолитного ядра и микроядра. Этот тип ядра известен как гибридное ядро. Такой тип архитектуры используется практически во всех системах, которые производятся в настоящее время.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Ядро (Операционные Системы)
Все операции, связанные с процессами, выполняются под управлением той части операционной системы, которая называется ядром. Ядро представляет собой лишь небольшую часть кода операционной системы в целом, однако оно относится к числу наиболее интенсивно используемых компонент системы. По этой причине ядро обычно резидентно размещается в основной памяти, в то время как другие части операционной системы перемещаются во внешнюю память и обратно по мере необходимости. Одной из самых важных функций, реализованных в ядре, является обработка прерываний. В больших многоабонентских системах в процессор поступает постоянный поток прерываний. Быстрая реакция на эти прерывания играет весьма важную роль с точки зрения полноты использования ресурсов системы и обеспечения приемлемых значений времени ответа для пользователей, работающих в диалоговом режиме.
Когда ядро обрабатывает текущее прерывание, оно запрещает другие прерывания и разрешает их снова только после завершения обработки текущего прерывания. При постоянном потоке прерываний может сложиться такая ситуация, что ядро будет блокировать прерывания в течение значительной части времени, т. е. не будет иметь возможности эффективно реагировать на прерывания. Поэтому ядро обычно разрабатывается таким образом, чтобы оно осуществляло лишь минимально возможную предварительную обработку каждого прерывания, а затем передавало это прерывание на дальнейшую обработку соответствующему системному процессу, после начала работы которого ядро могло бы разрешить последующие прерывания.
Содержание
Основные функции ядра
Основные функция ядра:Ядро операционной системы, как правило, содержит программы для реализации следующих функций:
Типы архитектур ядер операционных систем
Монолитное ядро
Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.
Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей. Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы. Примеры: Традиционные ядра UNIX (такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.
Монолитные ядра имеют долгую историю развития и усовершенствования и, на данный момент, являются наиболее архитектурно зрелыми и пригодными к эксплуатации. Вместе с тем, монолитность ядер усложняет их отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление «мёртвого», ненужного, унаследованного от предыдущих версий кода. «Разбухание» кода монолитных ядер также повышает требования к объёму оперативной памяти, требуемому для функционирования ядра ОС. Это делает монолитные ядерные архитектуры малопригодными к эксплуатации в системах, сильно ограниченных по объёму ОЗУ, например, встраиваемых системах, производственных микроконтроллерах и т. д.
Модульное ядро
Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем. В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).
Все модули ядра работают в адресном пространстве ядра и могут пользоваться всеми функциями, предоставляемыми ядром. Поэтому модульные ядра продолжают оставаться монолитными. Модульность ядра осуществляется на уровне бинарного образа, а не на архитектурном уровне ядра, так как динамически подгружаемые модули загружаются в адресное пространство ядра и в дальнейшем работают как интегральная часть ядра. Модульные монолитные ядра не следует путать с архитектурным уровнем модульности, присущий микроядрам и гибридным ядрам. Практически, динамичная загрузка модулей, это просто более гибкий способ изменения образа ядра во время выполнения — в отличие от перезагрузки с другим ядром. Модули позволяют легко расширить возможности ядра по мере необходимости.
Модульные ядра удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра, не поддерживающие динамическую загрузку модулей, так как от разработчика не требуется многократная полная перекомпиляция ядра при работе над какой-либо его подсистемой или драйвером. Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются. Примером может служить VFS — «виртуальная файловая система», совместно используемая многими модулями файловых систем в ядре Linux.
Микроядро
Микроядро – предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.
Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.
Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов. Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.
Сервисные процессы (в принятой в семействе UNIX терминологии — «демоны») активно используются в самых различных ОС для задач типа запуска программ по расписанию (UNIX и Windows NT), ведения журналов событий (UNIX и Windows NT), централизованной проверки паролей и хранения пароля текущего интерактивного пользователя в специально ограниченной области памяти (Windows NT). Тем не менее, не следует считать ОС микроядерными только из-за использований такой архитектуры. Примеры: Symbian OS; Windows CE; OpenVMS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.
Экзоядро
Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры). Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.
Наноядро
Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.
Гибридное ядро
Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Имеют «гибридные» достоинства и недостатки.
Комбинация разных подходов
Все подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Так, например, сейчас ядро «Linux» представляет собой монолитную систему с отдельными элементами модульного ядра. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра — так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.
Существуют варианты ОС GNU, в которых вместо монолитного ядра применяется ядро Mach (такое же, как в Hurd), а поверх него крутятся в пользовательском пространстве те же самые процессы, которые при использовании Linux были бы частью ядра. Другим примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.
Смешанное ядро, в принципе, должно объединять преимущества монолитного ядра и микроядра: казалось бы, микроядро и монолитное ядро — крайности, а смешанное — золотая середина. В них возможно добавлять драйверы устройств двумя способами: и внутрь ядра, и в пользовательское пространство. Но на практике концепция смешанного ядра часто подчёркивает не только достоинства, но и недостатки обоих типов ядер. Примеры: Windows NT, DragonFlyBSD.
Этот центральный компонент компьютерной системы отвечает за выполнение программ. Ядро берет на себя ответственность за принятие решения в любой момент, какая из многих запущенных программ должна быть назначена процессору или процессорам.
СОДЕРЖАНИЕ
Оперативная память
Оперативная память (RAM) используется для хранения как программных инструкций, так и данных. Как правило, для выполнения программы в памяти должны присутствовать оба. Часто нескольким программам требуется доступ к памяти, часто требуя больше памяти, чем доступно на компьютере. Ядро отвечает за решение, какую память может использовать каждый процесс, и за определение того, что делать, когда памяти недостаточно.
Устройства ввода / вывода
Управление ресурсами
Ключевыми аспектами, необходимыми в управлении ресурсами, являются определение домена выполнения ( адресного пространства ) и механизма защиты, используемого для обеспечения доступа к ресурсам в пределах домена. Ядра также предоставляют методы для синхронизации и межпроцессного взаимодействия (IPC). Эти реализации могут быть внутри самого ядра, или ядро также может полагаться на другие запущенные процессы. Хотя ядро должно предоставлять IPC для обеспечения доступа к средствам, предоставляемым друг другом, ядра также должны предоставлять работающим программам метод для выполнения запросов на доступ к этим средствам. Ядро также отвечает за переключение контекста между процессами или потоками.
Управление памятью
Управление устройством
На аппаратном уровне общие абстракции драйверов устройств включают:
А на уровне программного обеспечения абстракции драйверов устройств включают:
Например, чтобы показать пользователю что-то на экране, приложение отправит запрос к ядру, которое перенаправит запрос своему драйверу дисплея, который затем отвечает за фактическое отображение символа / пикселя.
Системные вызовы
Метод вызова функции ядра варьируется от ядра к ядру. Если используется изоляция памяти, пользовательский процесс не может напрямую вызвать ядро, потому что это было бы нарушением правил контроля доступа процессора. Вот несколько возможностей:
Проектные решения ядра
Защита
Механизмы или политики, предоставляемые ядром, можно классифицировать по нескольким критериям, включая: статические (применяются во время компиляции ) или динамические (применяются во время выполнения ); упреждающее или последующее обнаружение; в соответствии с принципами защиты, которым они удовлетворяют (например, Деннинг ); поддерживаются ли они аппаратным обеспечением или основаны на языке; являются ли они более открытым механизмом или обязательной политикой; и многое другое.
Многие ядра обеспечивают реализацию «возможностей», т. Е. Объектов, которые предоставляются пользовательскому коду, которые позволяют ограниченный доступ к базовому объекту, управляемому ядром. Типичным примером является обработка файлов: файл представляет собой представление информации, хранящейся на постоянном запоминающем устройстве. Ядро может выполнять множество различных операций, включая чтение, запись, удаление или выполнение, но приложению пользовательского уровня может быть разрешено выполнять только некоторые из этих операций (например, ему может быть разрешено только чтение файла). Обычная реализация этого заключается в том, что ядро предоставляет объект приложению (обычно так называемый «дескриптор файла»), для которого приложение может затем вызывать операции, действительность которых ядро проверяет во время запроса операции. Такая система может быть расширена для охвата всех объектов, которыми управляет ядро, и даже объектов, предоставляемых другими пользовательскими приложениями.
Важным решением при проектировании ядра является выбор уровней абстракции, на которых должны быть реализованы механизмы и политики безопасности. Механизмы безопасности ядра играют критически важную роль в поддержке безопасности на более высоких уровнях.
Аппаратная или языковая защита
Типичные компьютерные системы сегодня используют аппаратные правила, определяющие, каким программам и каким данным разрешен доступ. Процессор отслеживает выполнение и останавливает программу, которая нарушает правило, например пользовательский процесс, который пытается выполнить запись в память ядра. В системах, в которых отсутствует поддержка возможностей, процессы изолированы друг от друга с помощью отдельных адресных пространств. Вызовы из пользовательских процессов в ядро регулируются, требуя от них использования одного из описанных выше методов системного вызова.
К преимуществам этого подхода можно отнести:
К недостаткам можно отнести:
Процессное сотрудничество
Управление устройствами ввода / вывода
Как и в случае с физической памятью, предоставление приложениям прямого доступа к портам и регистрам контроллера может вызвать сбой контроллера или сбой системы. При этом, в зависимости от сложности устройства, некоторые устройства могут оказаться на удивление сложными в программировании и использовать несколько разных контроллеров. По этой причине важно предоставить более абстрактный интерфейс для управления устройством. Этот интерфейс обычно выполняется драйвером устройства или уровнем аппаратной абстракции. Часто приложениям требуется доступ к этим устройствам. Ядро должно поддерживать список этих устройств, каким-либо образом запрашивая их у системы. Это можно сделать через BIOS или через одну из различных системных шин (например, PCI / PCIE или USB). Когда приложение запрашивает операцию на устройстве (например, отображение символа), ядру необходимо отправить этот запрос текущему активному видеодрайверу. Видеодрайвер, в свою очередь, должен выполнить этот запрос. Это пример межпроцессного взаимодействия (IPC).
Подходы к проектированию в масштабе всего ядра
Естественно, что перечисленные выше задачи и функции могут быть реализованы разными способами, которые отличаются друг от друга дизайном и реализацией.
В минимальное микроядро включены только некоторые очень простые политики, а его механизмы позволяют тому, что выполняется поверх ядра (оставшаяся часть операционной системы и другие приложения), решать, какие политики принять (например, управление памятью, процесс высокого уровня. планирование, управление файловой системой и т. д.). Вместо этого монолитное ядро имеет тенденцию включать в себя множество политик, поэтому ограничивает остальную часть системы, чтобы они полагались на них.
Монолитные ядра
Эти типы ядер состоят из основных функций операционной системы и драйверов устройств с возможностью загрузки модулей во время выполнения. Они предоставляют богатые и мощные абстракции базового оборудования. Они предоставляют небольшой набор простых аппаратных абстракций и используют приложения, называемые серверами, для обеспечения большей функциональности. Этот конкретный подход определяет высокоуровневый виртуальный интерфейс через оборудование с набором системных вызовов для реализации служб операционной системы, таких как управление процессами, параллелизм и управление памятью в нескольких модулях, которые работают в режиме супервизора. У этой конструкции есть несколько недостатков и ограничений:
Примерами монолитных ядер являются ядро AIX, ядро HP-UX и ядро Solaris.
Микроядра
Однако у микроядра есть недостатки. Некоторые:
Недостатки микроядер сильно зависят от контекста. Например, они хорошо работают для небольших одноцелевых (и критически важных) систем, потому что, если нужно запускать не так много процессов, то сложности управления процессами эффективно смягчаются.
Монолитные ядра против микроядер
Представление
Гибридные (или модульные) ядра
Многие традиционно монолитные ядра теперь по крайней мере добавляют (или используют) возможности модуля. Самым известным из этих ядер является ядро Linux. Модульное ядро, по сути, может иметь части, встроенные в двоичный файл ядра или двоичные файлы, которые загружаются в память по запросу. Важно отметить, что модуль с испорченным кодом может дестабилизировать работающее ядро. Многие люди сбиваются с толку при обсуждении микроядер. Можно написать драйвер для микроядра в совершенно отдельном пространстве памяти и протестировать его перед “запуском”. Когда модуль ядра загружен, он обращается к пространству памяти монолитной части, добавляя к нему то, что ему нужно, тем самым открывая путь к возможному загрязнению. Несколько преимуществ модульного (или) гибридного ядра:
Модули, как правило, взаимодействуют с ядром, используя какой-либо интерфейс модуля. Интерфейс является универсальным (хотя и специфичным для данной операционной системы), поэтому не всегда возможно использовать модули. Часто драйверам устройств может потребоваться большая гибкость, чем позволяет интерфейс модуля. По сути, это два системных вызова, и часто проверки безопасности, которые нужно выполнить в монолитном ядре только один раз, теперь могут выполняться дважды. Некоторые из недостатков модульного подхода:
Наноядра
Экзоядра
История развития ядра
Ядра ранних операционных систем
В 1969 году мультипрограммная система RC 4000 представила философию системного проектирования небольшого ядра, «на котором можно упорядоченно строить операционные системы для различных целей», что можно было бы назвать подходом микроядра.
Операционные системы с разделением времени
Амига
