Ядро – это центральная и незаменимая часть операционной системы компьютера. Это основной слой между программным обеспечением вашего компьютера и аппаратным. Дальше мы разберем, что такое ядро, какие бывают типы ядер и за что они отвечают в операционной системе.
Где в операционной системе расположено ядро?
Большую часть операционных систем можно разбить на три слоя:
- Аппаратное обеспечение. Сюда входят физические детали компьютера, в том числе оперативная память, процессор и устройства ввода-вывода, например, жесткие диски, сетевые устройства и видеокарты. ЦП выполняет различные вычисления, а также операции чтения и записи данных в память.
- Ядро. Ядро – это центр операционной системы. Это программное обеспечение, которое находится в памяти компьютера и отправляет процессору и прочему оборудованию инструкции.
- Пользовательские процессы. Пользовательские процессы (или просто «процессы») – это приложения, запущенные на компьютере. Еще одна задача ядра заключается в управлении этими процессами. Оно позволяет им взаимодействовать друг с другом.
Режим ядра VS. Режим пользователя
Режим ядра и режим пользователя – это два способа выполнения кода процессором. Когда код запускается в режиме ядра, ЦП имеет неограниченный доступ ко всему оборудованию компьютера. Пользовательский режим ограничивает для него этот доступ. Память компьютера разделяется аналогично – на пространство ядра и пространство пользователя.
Если процесс дает сбой в ходе работы в пользовательском режиме, то такое разделение позволяет минимизировать ущерб, который этот сбой может нанести системе, и в таком случае ядро может восстановить процесс. Что же касается процесса, работающего в режиме ядра, он может вывести из строя весь компьютер. Такое разделение процессов – на процессы пользователя и процессы ядра – является гарантией того, что система будет оставаться работоспособной и стабильной даже в случае сбоя пользовательского процесса.
Что такое паника ядра?
Ошибки и сбои все равно могут возникать даже при таком разделении процессов. Так как ядро имеет полный контроль над системой, сбой в его процессе приведет к остановке всей системы. Паника ядра – это мера безопасности, которую принимает операционная система, когда обнаруживает сбой или понимает, что продолжение работы может привести к потере данных или повреждению оборудования.
Как правило, паника ядра вызывается, когда возникают проблемы со связью между устройствами и аппаратным обеспечением. Для того, чтобы восстановить систему, находящуюся в состоянии паники ядра, ее необходимо перезагрузить.
Термин «паника ядра» используется в Unix, Linux, MacOS и прочих Unix-подобных системах. В операционной системе Microsoft Windows такое событие называется «СТОП-ошибкой», но чаще всего его называют «синим экраном смерти».
В чем состоят функции ядра?
Ядро выполняет огромное количество задач в рамках компьютерной системы. В его основные обязанности входит:
- Управление ресурсами. Ядро распределяет ресурсы компьютера между различными запущенными на нем приложениями, а также контролирует то, как процессы взаимодействуют между собой.
- Управление памятью. Ядро имеет полный контроль над оперативной памятью компьютера. Все процессы, происходящие на компьютере, требуют некоторый объем памяти, и ядро использует для этого виртуальную адресацию. Виртуальная адресация делит память и позволяет избежать ситуаций, когда память, используемая одним процессом, накладывается на память, используемую другим процессом.
- Управление устройствами. Ядро хранит список доступных устройств, подключенных к системе, и взаимодействует с ними через их драйверы. Драйверы устройств – это компьютерные приложения, запущенные в режиме ядра. Они позволяют взаимодействовать с такими устройствами, как мыши, клавиатуры и мониторы. С помощью этих драйверов ядро управляет всеми взаимодействиями между пользовательскими процессами и этими устройствами.
Типы ядра
Несмотря на то, что основные характеристики ядер схожи, их архитектура может сильно различаться в зависимости от того, для чего они используются. Ядра разделяют на пять основных типов.
Монолитное ядро
Монолитное ядро не разделяет режим пользователя и режим ядра. И те, и те процессы используют единое пространство и выполняются в одном потоке.
Большая часть работы в монолитном ядре выполняется за счет прямых системных вызовов. Таким образом, приложения могут получать быстрый доступ к оборудованию и ресурсам, а производительность пользовательских процессов может повыситься. Монолитные ядра – это довольно маленькие приложения, и они, соответственно, занимают меньше места в памяти, так как у них нет необходимости управлять двумя режимами – режимами пользователя и ядра.
Однако у монолитных ядер есть несколько недостатков. Если процесс «вылетает», то это может привести к остановке всей системы, так как у него нет «спасательного круга» как у режима ядра. Кроме того, для того, чтобы добавить новые службы в операционную систему, вам придется внести в нее некоторые изменения и перезагрузить.
Монолитные ядра используют такие операционные системы, как AIX, HP-UX, Linux, Unix и Solaris.
Микроядро
Если мы говорим о микроядре, то здесь пользовательские процессы выполняются в пространстве пользователя, а системные – в пространстве ядра. Процессы, запущенные в пространстве пользователя, могут обращаться к различным службам ОС с целью получить доступ к ресурсам системы, например, к оперативной памяти. Прочие службы, например, сетевые, запускаются в пространстве пользователя как обычные программы.
С точки зрения поддержки микроядра проще, нежели монолитные. Однако такому количеству системных вызовов и обмену сообщениями сопутствует большее потребление ресурсов, что замедляет систему. И тем не менее, микроядра способны восстанавливаться при сбоях в пользовательских процессах, и на них можно тестировать новое программное обеспечение, не перезагружая систему.
Микроядра используют такие операционные системы, как Mach, L4, AmigaOS, Minix и К42.
Гибридное ядро
Гибридные ядра также известны под названием «модульные ядра». Они сочетают в себе функции как монолитных, так и микроядер. Они используются в большинстве коммерческих ОС. Они позволяют расширить функциональность микроядер за счет дополнительного кода в пространстве ядра, повышающего производительность.
Гибридные ядра используют такие операционные системы, как Windows, Netware и BeOS.
Наноядро
Наноядро крайне мало и обеспечивает лишь прямой доступ к оборудованию и ресурсам. Для того, чтобы сэкономить память и повысить производительность, наноядра делегируют все свои обязанности драйверам устройств, и у них, соответственно, нет никаких системных служб. Операционная система MacOS использовала наноядро для некоторых своих версий (с 7 по 9) еще до появления версии OS X во временя PowerPC.
Экзоядро
Экзоядра – это экспериментальная архитектура ядра, которая разрабатывается в MIT (Массачусетском технологическом институте). В этом ядре управление и защита ресурсов разделены. Таким образом, ядро можно подгонять под какие-то конкретные приложения. Они не предоставляют никаких других средств помимо оборудования, с которым взаимодействуют. Это позволяет разработчикам самим решать, как распределять ресурсы для запущенных приложений.
Экзоядра также крайне малы, но при этом они предоставляют разработчикам библиотечную операционную систему, которая обладает всеми функциональными возможностями обычной ОС. Это значит, что пользователи экзоядра должны воссоздать остальную часть операционной системы с нуля, а это может оказаться довольно сложным и рискованным. Пожалуй, это основная причина, почему экзоядра не стали популярными.
