Что такое ядро и как это работает?

Что такое ядро?

В основе каждой операционной системы лежит ядро, фундаментальное программное обеспечение, выступающее в качестве посредника между прикладным программным обеспечением и аппаратными компонентами вашего компьютера.Он отвечает за управление аппаратным обеспечением компьютера (процессор, оперативная память, хранение и т. Д.), Дикт, как и когда эти различные ресурсы используются в ходе работающих и постоянных приложений.

Например, представьте, что вы присоединяетесь к конференции на вашем компьютере, используя приложение, такое как Zoom или Google Meet.При открытии приложение попросит ядро получить доступ к камере и микрофону вашего компьютера.Ядро обрабатывает запрос, активируя необходимое оборудование на вашем компьютере.Он также сообщит компьютеру выделить определенное количество ресурсов ЦП, чтобы поддерживать плавное соединение.

Функции ядра

Основная функция ядра состоит в том, чтобы обеспечить эффективное общение программного обеспечения и оборудования.

Вот разрушение некоторых основных функций ядра, которые позволяют ему плавно работать ваш компьютер

Управление ресурсами

Ядро позволяет приложениям обмениваться аппаратными ресурсами, оркестрации, когда и сколько конкретного аппаратного ресурса необходима для данной задачи (процесса).

• ПРОЦЕССОР: Ядро может планировать различные процессы для использования процессора, чтобы все работало гладко и эффективно.
• Объем памяти: Ядро выделяет пространство по мере необходимости, отслеживая то, что используется, а что бесплатно, и меняет вещи по мере необходимости.
• Управление устройством ввода/вывода: Когда вы используете свою клавиатуру, мышь или другие устройства, ядро управляет этими взаимодействиями, так что данные плавно течет между вашим аппаратным и программным обеспечением.

Управление процессом

Ядро обрабатывает все аспекты управления процессами, включая создание новых процессов, планирование при запуске и очистке, как только они закончат.Это гарантирует, что каждый процесс имеет ресурсы, которые ему необходимы для работы, защищая их от вмешательства друг с другом.

Управление памятью

Ядро наблюдает как физическую, так и виртуальную память, следя за тем, чтобы у каждого процесса было достаточно места для работы.Он использует такие методы, как пейджинг (фиксированная) и сегментация (переменная), чтобы все было организовано и эффективно.

Управление системными файлами

Ядро организует, как данные хранятся на жестком диске или SSD вашего компьютера, обеспечивая быстро и надежно извлекаться ваши файлы.

Драйверы устройств

Драйверы устройств похожи на переводчиков для различных аппаратных компонентов (принтеры, видеокарты и т. Д.).Ядро общается с этими драйверами для контроля и координации использования устройств.

Безопасность и защита

Ядро обеспечивает управление доступа и разрешения для защиты системы от несанкционированного доступа.Он изолирует процессы друг от друга, помогая предотвратить воздействие вредоносного кода других частей системы.

Типы ядер

Существуют разные типы ядер, каждый из которых имеет свой уникальный дизайн и подход к управлению ресурсами вашего компьютера.Давайте рассмотрим основные типы ядер и что делает каждый особенный:

Монолитное ядро

Думайте о монолитном ядре как о большом, все в одном пакете.Он включает не только основные функции операционной системы, но и драйверы устройств, управление файловой системой и другие системы систем.

Все работает в одном пространстве ядра, что может привести к высокой производительности и эффективности.

Примеры: Linux и более старые версии Unix.

Microkernel

Микроканнелы используют минималистский подход.Они обрабатывают только самые важные функции, такие как связь между оборудованием и программным обеспечением, и делегируют другие задачи (например, драйверы устройств) для разделения процессов пользовательского режима.

Эта конструкция может привести к улучшению стабильности и модульности, что облегчает изоляцию и ремонтные проблемы.

Примеры: Маха (используется в macOS X) и QNX.

Нанокернел

Нанокернеры еще меньше и легче, чем микрокернеры.Они стремятся справиться только с абсолютным минимумом задач, такими как переключение контекста и аппаратная абстракция.

Этот тип ядра предназначен для специализированных приложений, таких как встроенные системы или устройства IoT, где простота и минимальное использование ресурсов являются ключевыми.

Гибридное ядро

Гибридное ядро представляет собой смесь монолитных и конструкций микрокерне, направленного на то, чтобы взять лучшее из обоих миров.

Он сохраняет некоторые преимущества в производительности монолитного ядра, но с большей модульностью, как микрокернел.

Примеры: Windows NT и MacOS (с версии X).

Exokernel

Exokernels используют другой подход, предоставляя очень низкий уровень интерфейса оборудованию, предоставляя больше контроля над ресурсами.Это ядро ОС обеспечивает большую настройку и потенциальную повышение производительности, но оно может быть сложным для управления.

Драйверы устройств

Драйверы устройств - это программные компоненты, которые позволяют ядру операционной системы общаться с аппаратными устройствами внутри и за пределами компьютера.

Существует 3 основных типа драйверов устройств, которую использует ваша операционная система:

Драйверы устройства персонажа

Эти драйверы отвечают за управление устройствами, которые передают характер данных по характеру, включая клавиатуры, мышей, последовательные порты и терминалы.Обычно они обрабатывают входные и выходные операции на основе характера, не буферируя большие объемы данных.Примеры включают драйверы клавиатуры для интерпретации клавишных и драйверов мышей для отслеживания движений курсора.

Блокировать драйверы устройства

Драйверы блокировки устройств контролируют устройства, которые хранят и получают данные в блоках или секторах фиксированного размера, таких как жесткие диски, твердотельные диски (SSD) и USB-устройства.Они обрабатывают данные в кусках, что позволяет эффективному чтению и написанию больших объемов данных.Драйверам блокировки устройств поручено управлять устройствами хранения, которые включают разделение, форматирование и обработку запросов чтения и записи.

Драйверы сетевого устройства

Драйверы сетевых устройств отвечают за контроль карт сетевого интерфейса (NICS) и другое сетевое оборудование, облегчая связь по сети.Эти драйверы управляют передачей и приемом пакетов данных, внедряя сетевые протоколы, такие как TCP/IP.Они также обрабатывают конфигурацию сети, маршрутизацию пакетов и передачу данных.

Режим ядра против пользовательского режима

Пользовательский режим и режим ядра являются двумя различными состояниями драйвера устройства в операционной системе.

Давайте посмотрим, что такое каждый режим и почему они имеют значение для безопасности и стабильности вашего компьютера.

Режим ядра

Режим ядра - это привилегированное состояние, в котором работают основные компоненты операционной системы.В этом режиме ядро имеет неограниченный доступ к аппаратным ресурсам и может выполнять критические системы системы, такие как управление памятью, управление аппаратными устройствами и прерывания системы обработки системы.Это похоже на центр управления вашим компьютером, где основные операции выполняются эффективно и надежно, чтобы обеспечить плавное функционирование операционной системы.

Поскольку программное обеспечение имеет неограниченный доступ к конфиденциальным системным ресурсам, работа в режиме ядра требует высокого уровня доверия.Таким образом, только доверенные компоненты операционной системы, такие как само ядро и драйверы устройства, работают в режиме ядра для поддержания целостности системы.

Пользовательский режим

Пользовательский режим - это ограниченная среда, в которой запускаются большинство приложений, таких как браузеры и текстовые процессоры.В этом режиме программное обеспечение работает в пределах границ, установленных операционной системой, без прямого доступа к аппаратным или критическим системным ресурсам.Он предназначен для обеспечения безопасной и стабильной среды для приложений для работы независимо, не мешая друг другу или основными функциями операционной системы.

Безопасность ядра

Ядро содержит различные меры безопасности для защиты системы от потенциальных угроз.

Вот несколько способов, которыми ядро может поддерживать безопасную среду и смягчить потенциальную уязвимость:

Контроль доступа: Ядро обеспечивает соблюдение политик управления доступом, присваивая разрешения пользователям и процессам, таким как чтение, запись и выполнение разрешений.Он проверяет запросы на доступ к этим разрешениям, чтобы гарантировать, что только уполномоченные организации могут получить доступ к ресурсам.

Разрешения: Ядро обеспечивает разрешения, проверяя права доступа запрашивающей организации против разрешений, связанных с ресурсом.Это помогает предотвратить несанкционированный доступ и неправильное использование системных ресурсов.

Песочница: Ядро реализует методы песочницы, такие как изоляция процесса, разделение пространства имен и разделение привилегий, для создания безопасных средств выполнения для приложений.Это мешает им получить доступ или изменять системные ресурсы.