Ядро (операционной системы)

У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро.

Ядро́ — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для его работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Типы архитектур ядер операционных систем

Монолитное ядро

Основная статья: Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса Unix, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие части функции ядра.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Такая структура операционной системы называется монолитным ядром (monolithic kernel). Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Таким образом, монолитное ядро — 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.

В некоторых операционных системах с монолитным ядром сборка ядра, то есть его компиляция, осуществляется отдельно для каждого компьютера, на который устанавливается операционная система. При этом можно выбрать список оборудования и программных протоколов, поддержка которых будет включена в ядро. Так как ядро является единой программой, перекомпиляция — это единственный способ добавить в него новые компоненты или исключить неиспользуемые в таких системах. Следует отметить, что присутствие в ядре лишних компонентов крайне нежелательно, так как ядро всегда полностью располагается в оперативной памяти. Кроме того, исключение ненужных компонентов повышает надёжность операционной системы в целом.

Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство Unix-систем.

В монолитном ядре выделяются вкрапления сервисных процедур, соответствующих системным вызовам. Сервисные процедуры выполняются в привилегированном режиме, тогда как пользовательские программы — в непривилегированном. Для перехода с одного уровня привилегий на другой иногда может использоваться главная сервисная программа, определяющая, какой именно системный вызов был сделан, корректность входных данных для этого вызова и передающая управление соответствующей сервисной процедуре с переходом в привилегированный режим работы.

Данный тип архитектуры ядер имеет преимущества. В частности, монолитное ядро более производительно, чем микроядро, поскольку состоит не из множества разрозненных процессов, «общающихся» между собой через механизм посылки сообщений, а работает в одном адресном пространстве, кроме того нет необходимости осуществлять переключения между процессами-сервисами.

Примером монолитного ядра является

Примеры: Традиционные ядра BSD), Linux; ядро

Модульное ядро

Основная статья: Модульное ядро

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.

В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, 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.

Модульные ядра предоставляют особый программный интерфейс (API) для связывания модулей с ядром, для обеспечения динамической подгрузки и выгрузки модулей. В свою очередь, не любая программа может быть сделана модулем ядра: на модули ядра накладываются определённые ограничения в части используемых функций (например, они не могут пользоваться функциями стандартной библиотеки С/С++ и должны использовать специальные аналоги, являющиеся функциями API ядра). Кроме того, модули ядра обязаны экспортировать определённые функции, нужные ядру для правильного подключения и распознавания модуля, для его корректной инициализации при загрузке и корректного завершения при выгрузке, для регистрации модуля в таблице модулей ядра и для обращения из ядра к сервисам, предоставляемым модулем.

Не все части ядра могут быть сделаны модулями. Некоторые части ядра всегда обязаны присутствовать в оперативной памяти и должны быть жёстко «вшиты» в ядро. Также не все модули допускают динамическую подгрузку (без перезагрузки ОС). Общей тенденцией развития современных модульных ядер является всё большая модуляризация кода, улучшение механизмов динамической подгрузки и выгрузки, уменьшение или устранение необходимости в ручной подгрузке модулей или в переконфигурации ядра при изменениях аппаратуры путём введения тех или иных механизмов автоматического определения оборудования и автоматической подгрузки нужных модулей, универсализация кода ядра и введение в ядро абстрактных механизмов, предназначенных для совместного использования многими модулями. Примером может служить VFS — «виртуальная файловая система», совместно используемая многими модулями файловых систем в ядре Linux.

Микроядро

Основная статья: 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.

Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы.

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.

Сюда относятся:

• управление адресным пространством оперативной памяти.
• управление адресным пространством виртуальной памяти.
• управление процессами и тредами (нитями, потоками).
• средства межпроцессной коммуникации.

Все остальные сервисы ОС, в классических монолитных ядрах предоставляемые непосредственно ядром, в микроядерных архитектурах реализуются в адресном пространстве пользователя (Ring3) и называются сервисами. Примерами таких сервисов, выносимых в пространство пользователя в микроядерных архитектурах, являются сетевые сервисы, файловая система, драйверы.

Такая конструкция позволяет улучшить общее быстродействие системы. Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро.

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 ее 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.

И чтобы добавить в ОС с микроядром драйвер того или иного устройства, не надо перекомпилировать всё ядро, а надо лишь отдельно откомпилировать этот драйвер и запустить его в пользовательском пространстве.

В то же время микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что отрицательно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных операционных систем — необходимость очень аккуратного проектирования.

Микроядра типа ядра ОС GNU Hurd развиваются медленно, гораздо медленнее, чем BSD, но они обладают огромным потенциалом, то есть заделом на будущее, и, возможно, в этом самом будущем, достигнут аналогичного функционала.

Классическим примером микроядерной системы является Symbian OS. Это пример распространенной и отработанной микроядерной (a начиная c версии Symbian OS v8.1, и наноядерной) операционной системы. B отличие от Windows NT, создателям Symbian OS удалось совместить эффективность и концептуальную стройность, несмотря на то что современные версии этой системы предоставляют обширные возможности, в том числе средства для работы c потоковыми данными, стеками протоколов, критичными к латентности ядра, графикой и видео высокого разрешения). Будучи микроядерной операционной системой, Symbian «выносит» практически все прикладные (т.e. выходящие за пределы компетенции ядра) задачи в модули-серверы, функционирующие в пользовательском адресном пространстве.

В ОС Windows NT версий 3.х микроядерная архитектура с сервисным процессом использовалась для подсистемы графики и пользовательского интерфейса. В частности, драйвер графической аппаратуры загружался в контекст сервисного процесса, а не ядра. Начиная с версии 4, от этого отказались, сервисный процесс сохранился только для управления консольными окнами командной строки, а собственно графическая подсистема вместе с драйвером аппаратуры (в том числе трехмерной графики) переместилась в специально обособленный регион ядра ОС.

ОС Windows CE (и созданные на ее основе сборки, такие, как Windows Mobile), будучи практически полностью совместимой (как подмножество) с Windows NT по вызовам и методам программирования приложений, тем не менее полностью отличается от Windows NT по внутренней архитектуре и является микроядерной ОС с выносом всех драйверов устройств, сетевых стеков и графической подсистемы в сервисные процессы.

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. 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.

Примеры: Symbian OS; GNU/Hurd и Mac OS X; Windows CE; AIX; ChorusOS ; MorphOS.

Экзоядро

Основная статья: Экзоядро

Экзоядро — ядро операционной системы компьютеров, 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

Основная статья: Наноядро

Наноядро — архитектура ядра операционной системы компьютеров, 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-ем году.

Гибридное ядро

Основная статья: Гибридное ядро

Гибридные ядра это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра.

Имеют «гибридные» достоинства и недостатки.

Все рассмотренные 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 Linux были бы частью ядра. Другим примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре

Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Хотя Windows NT часто называют микроядерной операционной системой, это не совсем так. Микроядро NT слишком велико (более 1 Мбайт, кроме того, в ядре системы находится, например, ещё и модуль графического интерфейса), чтобы носить приставку «микро». Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В то же время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром. По мнению специалистов Microsoft, причина проста: чисто микроядерный дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен.

Таким образом, Windows NT можно с полным правом назвать гибридной операционной системой.

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 драйвера 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.

Ссылки

• Ядро @ dmoz.org

Литература

• Роберт Лав Разработка ядра Linux = Linux Kernel Development. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 448. — ISBN 0-672-32720-1