Какое ядро использует ос linux: Ядро Linux. Курс «Введение в Linux и Bash»

Posted on by alexxlab

Содержание

Ядро Linux. Курс «Введение в Linux и Bash»

Что такое ядро операционной системы

Ядро является главной частью любой операционной системы. Существует точка зрения, которая понятие операционной системы приравнивает к ядру. Есть точка зрения, когда в понятие операционной системы включают как ее ядро, так и системные программы, позволяющие пользователю обращаться через ядро к аппаратным ресурсам.

Так что же такое ядро ОС и каковы его функции? Как известно, компьютер – не только система аппаратного обеспечения (железа), но и набор работающего на нем программного обеспечения. Чтобы второе могло эффективно работать на первом, нужна более низкоуровневая программа, скрывающая сложности работы с железом и предоставляющая обычным программам и пользователям удобный для них интерфейс.

Железо говорит на языке сигналов, регистров, секторов, переводов головок. Программам все это не надо. Они говорят на языке «записать, прочитать, сложить, вычесть . ..». Специальной программой, обеспечивающей остальным простой и понятный интерфейс для работы на имеющемся оборудовании, является ядро операционной системы. Однако создание виртуальной машины – не единственная функция ядра.

Представим себе, что ядра нет, а каждая запущенная программа сама обращается к железу и обрабатывает сигналы от него. Вроде бы ничего страшного, кроме дублирования кода в каждой такой программе. Но на компьютере одновременно работает множество программ. Как они будут «договариваться» между собой о совместном использовании общего аппаратного обеспечения?

Конечно, они могут встать в очередь, и сначала одна программа выполнится полностью, затем другая. Однако одни программы должны работать постоянно в фоновом режиме, другие – могут долго ожидать ввода или вывода, третьи – должны получать данные из другой работающей программы. Поэтому функция оптимального распределения аппаратных ресурсов возлагается на ядро. Оно организует как бы параллельную работу множества программ, играет роль менеджера.

Ядро операционной системы – это тоже программа, написанная на том или ином языке программирования и скомпилированная в исполняемый файл. Однако, в отличии от других программ, ядро всегда загружается первым и потом постоянно «сидит» в определенной области оперативной памяти. То есть это программа, которая всегда находится в запущенном состоянии и взаимодействует, с одной стороны, с железом, а с другой – с системными и пользовательскими программами.

В коде ядра особо выделяют драйверы устройств. Драйвер – это программный код, функция которого заключается в предоставлении возможности использовать определенное железо (например, видеокарту). Причем конкретный драйвер не всегда загружается в память вместе с остальной частью ядра. Он туда грузится, лишь когда возникает потребность в ресурсах устройства. Так экономится память, но в ущерб скорости.

Выделяют операционные системы на монолитном ядре и микроядре, а также разные промежуточные варианты. Монолитное ядро проще и быстрее работает, так как в памяти всегда находится почти весь код. Микроядро меньше, сложнее, работает медленнее, однако нередко считается более передовым из-за легкости подключения новых частей кода. Микроядро, находясь в памяти, организует взаимодействие между другими частями кода операционной системы, которые являются самостоятельными программами (см. пример выше про загрузку драйверов).

Ядра Unix-подобных систем

Ядро Unix являлось первой практической реализацией новых идей и открытий 60-70-х годов XX века в области создания операционных систем.

Unix имеет простое монолитное ядро, в котором почти все представляется в виде файлов. Настройки хранятся в текстовых файлах, оборудование также имеет файловый интерфейс. Unix была написана на языке C, и это сделало ее переносимой с одной аппаратной платформы на другую. В Unix были впервые реализованы так называемые многозадачность и многопоточность, виртуальная память и многое другое.

В 80-х годах Unix-системы начали множится и видоизменяться. Некоторые умы вовремя спохватились и создали специальные стандарты, обеспечивающие совместимость систем. Это значит, что программа, написанная для одной Unix-подобной системы, должна работать в другой. Стандарты назвали POSIX.

Особенности ядра Linux

Обычно конечные пользователи имеют дело с дистрибутивами Linux, которые незначительно отличаются между собой, в том числе по компонентам ядра (например, наличию/отсутствию определенных драйверов). Однако ядро в своей основе все-равно остается ядром Linux, его исходники предоставляет проект https://www.kernel.org/. Это совместный проект, к нему может присоединится каждый программист. Основным руководителем остается Линус Торвальдс.

С технической точки зрения, Linux – это ядро, а не операционная система. Linux + программы из проекта GNU рождают операционную систему GNU/Linux. Однако ее тоже не существует в чистом виде. Разработчики дистрибутивов дорабатывают на свой лад GNU/Linux, после чего получаются различные операционные системы-дистрибутивы. У каждого дистрибутива есть собственное имя (Ubuntu, Fedora и т. п. ). Однако в основе всех этих систем лежит ядро Linux, поэтому все они принадлежат одному семейству Linux-систем.

Ядро Linux начал разрабатывать в 1991 году Линус Торвальдс. В дальнейшем оно развивалось и совершенствовалось многими людьми. Ядро Linux выпускается под лицензией GNU GPL.

Ядро Linux Unix-подобно, так как заимствовало идеи, заложенные в Unix, соответствует стандартам POSIX, а также по большей части написано на языке С.

У Linux монолитное ядро. Однако некоторые идеи микроядерной архитектуры тут также используются. Так драйверы устройств могут быть представлены в виде модулей и загружаться по требованию, а не при загрузки всего ядра.

Ядро выпускается в виде стабильных и разрабатываемых версий. В стабильных обычно исправлены ошибки, добавлены новые драйверы устройств. До недавнего времени четное второе число в названии ядра, говорило, что оно стабильно. Нечетное число обозначало разрабатываемую нестабильную версию. В 2011 году от такого подхода к нумерации версий отказались.

Опытные пользователи дистрибутивов Linux нередко сами скачивают и устанавливают себе новое ядро. Для этого они сначала распаковывают исходные коды, затем выполняют конфигурацию, потом компилируют, размещают в загрузочном каталоге и изменяют настройки загрузчика.

Конфигурируют ядро с целью включения, отключения или компиляции в виде модуля какого-либо драйвера или функции. Другими словами, «ядро под себя» не будет содержать лишних драйверов для оборудования, которого нет.

Курс с ответами к заданиям и дополнительными уроками:
android-приложение, pdf-версия.

3.1. Как устроен Linux: ядро и процессы. Linux: Полное руководство

3.1. Как устроен Linux: ядро и процессы

Главная, постоянно находящаяся в оперативной памяти, часть ОС Linux называется ядром (Kernel). Ядро ОС обрабатывает прерывания от устройств, выполняет запросы системных процессов и пользовательских приложений, распределяет виртуальную память, создает и уничтожает процессы, обеспечивает многозадачность посредством переключения между ними, содержит драйверы устройств, обслуживает файловую систему (см.

рис. 3.1).

Рис. 3.1. Устройство ОС Linux

Пользовательские процессы не могут непосредственно, например, порождать другие процессы, производить чтение или запись на диск, выводить данные на экран или создавать гнездо (socket) для обмена по сети. Для выполнения этих действий они должны воспользоваться сервисами ядра. Обращения за такими услугами называются системными вызовами.

Начальная загрузка системы состоит в том, что файл с образом ядра считывается в оперативную память, начиная с нулевого адреса. Этот файл находится в каталоге /boot и называется vmlinuz-x.y.z, где x.y.z — это номер версии ядра. На текущий момент большинство дистрибутивов основано на ядре версии 2.4, хотя уже вышло ядро 2.6 (Fedora Core 3) и кое-где еще встречается версия 2.2.

Примечание

По соглашению разработчиков ядра, все ветви с четным номером (2.2, 2.4 и т.д.) считаются стабильными и рекомендуются для широкого использования, а на ветвях с нечетным номером испытываются новые идеи, Линус Торвальдс предложил распространить эту схему нумерации и на третью цифру версии: в ядра с нечетными номерами добавлять новые функции, а в четных — только исправлять обнаруженные ошибки.

В UNIX-подобных системах в отличие от других ОС ядро минимизировано и не выполняет ни одной функции, служащей непосредственно пользователю. Для этой цели применяются многочисленные утилиты, выступающие в качестве посредников между пользователем и ядром. Только в комплекте с ними ядро образует полноценную операционную систему.

Этих компонент ОС Линус Торвальдс не создавал: они поступили из проекта GNU (http://www.gnu.org), участники которого с 1984 года работают над созданием полноценной UNIX-подобной ОС, целиком состоящей из свободно распространяемого программного обеспечения. К 1991 году им не хватало только ядра, и эту-то прореху и заполнил Торвальдс. Так что ОС, которой посвящена эта книга, правильнее называть не Linux, а «операционной системой GNU, основанной на ядре Linux», или просто GNU/Linux.

Итак, ядро обслуживает запросы процессов. Что же такое процесс? Это понятие является базовым в UNIX-подобных системах. Процесс можно представить себе как виртуальную машину, отданную в распоряжение одной задачи. Каждый процесс считает, что он на машине один и может распоряжаться всеми ее ресурсами. На самом же деле процессы надежно изолированы друг от друга, так что крушение одного не может повредить всей системе (сколько раз вы наблюдали в Windows, как сбой одной программы приводил к общему зависанию?).

Каждый процесс выполняется в собственной виртуальной памяти (см, рис. 3.2), в которую никакой другой процесс вмешаться не может. Этим и обеспечивается устойчивость всей системы.

Рис. 3.2. Виртуальная память процесса

Напоминаю, что такое виртуальная память. Каждому процессу разрешено считать, что его адреса начинаются с нулевого адреса и от него наращиваются. Таким образом, в 32-разрядной ОС процесс может адресовать 4 гигабайта оперативной памяти. Механизм виртуальной памяти позволяет процессу думать, что именно столько ему и выделено, хотя физически объем ОЗУ вашей машины — какие-то жалкие 256 Мбайт. Недостающую память заменяет жесткий диск путем записи временно не используемых страниц памяти в раздел подкачки (свопинга).

Разделяемость библиотек между процессами обеспечивается тем, что их код и статические данные отображаются на один и тот же участок физической оперативной памяти.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Глава 1 Введение в ядро Linux

Глава 1 Введение в ядро Linux Даже после трех десятилетий использования операционная система (ОС) Unix все еще считается одной из самых мощных и элегантных среди всех существующих операционных систем. Со времени создания операционной системы Unix в 1969 году, это детище Денниса

Ядро Linux в сравнении с классическими ядрами Unix

Ядро Linux в сравнении с классическими ядрами Unix Благодаря общему происхождению и одинаковому API, современные ядра Unix имеют некоторые общие характерные черты. За небольшими исключениями ядра Unix представляют собой монолитные статические бинарные файлы. Это значит, что они

Ядро в роли арбитра

Ядро в роли арбитра Так кто же определяет, который из потоков должен выполняться в данный момент времени? Этим занимается ядро.Ядро определяет, который из потоков должен использовать процессор в данный момент времени и переключает контекст на этот поток. Давайте

Ядро системы

Ядро системы Ядро обеспечивает базовую функциональность операционной системы: создает процессы и управляет ими, распределяет память и обеспечивает доступ к файлам и периферийным устройствам.Взаимодействие прикладных задач с ядром происходит посредством стандартного

IPLabs Linux Team: начало русского Linux’а

IPLabs Linux Team: начало русского Linux’а Следующая веха на пути русского Linux’а – 1998 год, когда фирма IPLabs (точнее, ее подразделение – IPLabs Linux Team) совместно с Институтом логики (на самом деле это были одни и те же люди – Алексей Новодворский, Алексей Смирнов и Юрий Девяткин с

Linux (ядро)

Linux (ядро) Официальная ссылкаLinux (2. 4.19): ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/Содержимое LinuxПоследняя проверка: версия 2.4.18.Файлы поддержкиЯдро Linux и и его заголовочные файлыОписанияЯдро LinuxЯдро – основа любой системы Linux. Когда компьютер включается и загружает Linux, первое, что загружается –

1.4. Ядро

1.4. Ядро Ядро — это сердце ОС, в котором реализовано управление физическими и программными ресурсами компьютера. Помимо этого оно позволяет получить доступ к различному железу. Например, ранние версии ядра обеспечивали работу только двух USB-устройств: клавиатура и мышь.

20.5.1. Зачем обновлять ядро?

20.5.1. Зачем обновлять ядро? Linux развивается быстрее любой другой операционной системы. Регулярно появляются новые версии ядра, реализующие новые функции. Например, едва успел выйти дистрибутив Fedora Core 4 на ядре 2. 6.11, а на www.kernel.org уже лежит стабильная версия 2.6.12.2. Еще чаще

Семантическое ядро

Семантическое ядро Анализ семантического ядра на полноту охвата. Очень важно, чтобы семантическое ядро охватывало максимально возможное количество проблем пользователей и запросов, формирующих эти проблемы. Нужно выяснить:? охватывает ли семантическое ядро весь

Составьте семантическое ядро

Составьте семантическое ядро Чтобы успешно продвигать свой бизнес в Интернете, необходимо правильно составить семантическое ядро.Семантическое ядро, говоря простым языком, – это слова, которые будут наиболее точным образом характеризовать направленность вашей

Глава 1 Как устроен компьютер

Глава 1 Как устроен компьютер Эта глава посвящена обзору аппаратных средств персонального компьютера. В ней мы также кратко познакомимся с понятием программного обеспечения и узнаем о назначении операционной системы.• Аппаратные средства ПК• Как включить

Ядро API Firebird

Ядро API Firebird Программирование с использованием API необходимо при написании драйверов для создания сценариев в таких языках, как PHP и Python, и при разработке объектно- ориентированных классов доступа к данным для объектно-ориентированных языков типа Java, C++ и Object Pascal.

Как устроен Internet

Как устроен Internet Internet качественно отличается от телеграфа, телефона, газет, радио и телевидения: информация здесь не только доставляется адресату, но и просто предоставляется на всеобщее обозрение, и каждый может сам найти и воспользоваться именно тем, что ему интересно.

Технология мысленных приказов: как устроен первый интерфейс «мозг — мозг» Андрей Васильков

Технология мысленных приказов: как устроен первый интерфейс «мозг — мозг» Андрей Васильков Опубликовано 29 августа 2013 Исследователи из университета штата Вашингтон провели необычный эксперимент, который можно считать первым в истории случаем

Линукс (ядро) | это.

.. Что такое Линукс (ядро)?

«Linux», разработка которого была начата Торвальдсом — лишь небольшая часть многих из использующих его систем, которые обычно тоже называют «Linux». Это иногда приводит к путанице, и те из них, которые используют системные библиотеки (например, GNU C Library) и другие программы Проекта GNU, называют также «GNU/Linux».[4]

О различных комбинациях свободных компонентов в операционных системах см. Операционные системы на основе свободного ПО.

Сейчас семейство операционных систем на базе ядра Linux — третье по популярности (0,8 % [5]) в мире на рынке настольных компьютеров.

Хронология

  • Апрель 1991 — 21-летний Линус Торвальдс начал работу над некоторыми механизмами операционной системы. Он начал с эмулятора терминала и планировщика задач.
  • 25 августа 1991 — Линус поместил следующее сообщение[3]:

From: [email protected] (Линус Бенедикт Торвальдс)
Newsgroups: comp. os.minix
Subject: Маленький опрос о моей новой операционной системе
Message-ID:<[email protected]>
Date: 25 Aug 91 20:57:08 GMT
Organization: Хельсинкский Университет

Привет всем, кто использует миникс — Я делаю (бесплатную) операционную систему (всего лишь хобби, не будет большой и профессиональной как gnu) для клонов 386 (486) AT. Она ваялась с апреля, и скоро будет готова. Я хочу отзывов о том, что людям нравится/не нравится в миниксе, ибо моя система на неё похожа(такое же устройство файловой системы(по практическим соображениям) среди всего прочего).

Я уже включил gcc (1.40), и похоже всё работает. Это значит, что что-то полезное появится через несколько месяцев, и я хотел бы узнать, чего люди хотят. Любые советы принимаются, но я не обещаю, что всё исполню 🙂

Линус ([email protected])

PS. Да, у неё никакого миниксового кода, и многозадачная фс. Она НЕ переносима (применяет переключение задач 386-го, и т. п.), и скорее всего будет поддерживать только AT-винчестеры, так как это всё, что у меня есть 🙁

Оригинальный текст (англ.)  

Hello everybody out there using minix —

I’m doing a (free) operating system (just a hobby, won’t be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones. This has been brewing since april, and is starting to get ready. I’d like any feedback on things people like/dislike in minix, as my OS resembles it somewhat (same physical layout of the file-system (due to practical reasons) among other things).

I’ve currently ported bash(1.08) and gcc(1.40), and things seem to work. This implies that I’ll get something practical within a few months, and I’d like to know what features most people would want. Any suggestions are welcome, but I won’t promise I’ll implement them 🙂

Linus ([email protected])

PS. Yes — it’s free of any minix code, and it has a multi-threaded fs. It is NOT protable (uses 386 task switching etc), and it probably never will support anything other than AT-harddisks, as that’s all I have :-(.

  • 17 сентября 1991 — Linux версии 0.01. (10 239 строк кода)
  • 5 октября 1991 — Linux версии 0.02 [1](англ.)
  • Декабрь 1991 — Linux версии 0.11. Это была первая версия Linux, на которой можно было собрать Linux из исходных кодов.
  • 19 января 1992 — Первое сообщение в группе новостей alt.os.linux(англ.)
  • 31 марта 1992 — Создана группа новостей comp.os.linux(англ.)
  • Апрель 1992 — Linux версии 0.96, на котором стало возможно запустить графический сервер X Window System.
  • Весь 1993 и начало 1994 — 15 тестовых релизов версии 0.99.* (в июле 1993 введено понятие BogoMips).
  • 14 марта 1994 — Linux версии 1.0.0 (176 250 строк кода).
  • Март 1995 — Linux версии 1.2.0 (310 950 строк кода).
  • 9 мая 1996 — Выбран символ Linux — пингвин Tux.
  • 9 июня 1996 — Linux версии 2.0.0 (777 956 строк кода).
  • 25 января 1999 — Linux версии 2.2.0, изначально довольно недоработанный (1 800 847 строк кода).
  • 4 января 2001 — Linux версии 2. 4.0 (3 377 902 строк кода).
  • 18 декабря 2003 — Linux версии 2.6.0 (5 929 913 строк кода).
  • 23 марта 2009 — Linux версии 2.6.29, временный символ Linux — тасманский дьявол Tuz (11 010 647 строк кода).

Торвальдс продолжает выпускать новые версии ядра, объединяя изменения, вносимые другими программистами, и внося свои. Оно обычно называется «ванильным» (vanilla), то есть официальное ядро без каких-либо сторонних изменений. В дополнение к официальным версиям ядра существуют альтернативные ветки, которые могут быть взяты из различных источников. Как правило, разработчики дистрибутивов GNU/Linux поддерживают свои собственные версии ядра Linux, например, включая в них драйверы устройств, которые ещё не включены в официальную версию.

Нумерация версий

Номер версии ядра Linux в настоящее время содержит четыре числа, следуя недавнему изменению в долго используемой до этого политике схемы версий, основанной на трёх числах. Для иллюстрации допустим, что номер версии составлен таким образом: A. B.C[.D] (например 2.2.1, 2.4.13 или 2.6.12.3).

  • Число A обозначает версию ядра. Оно изменяется наименее часто и только тогда, когда вносятся значительные изменения в код и концепцию ядра. Оно изменялось дважды в истории ядра: в 1994 (версия 1.0) и в 1996 (версия 2.0).
  • Число B обозначает старшую версию ревизии ядра. Чётные числа обозначают стабильные ревизии, то есть те, которые предназначены для промышленного использования, такие как 1.2, 2.4 или 2.6. Нечётные числа обозначают ревизии для разработчиков, такие как 1.1 или 2.5. Они предназначены для тестирования новых улучшений и драйверов до тех пор, пока они не станут достаточно стабильными для того, чтобы быть включёнными в стабильный выпуск.
  • Число C обозначает младшую версию ревизии ядра. В старой трёхчисловой схеме нумерации, оно изменялось тогда, когда в ядро включались заплатки связанные с безопасностью, исправления ошибок, новые улучшения или драйверы. С новой политикой нумерации, однако, оно изменяется только тогда, когда вносятся новые драйверы или улучшения; небольшие исправления поддерживаются числом D.
  • Число D впервые появилось после случая, когда в коде ядра версии 2.6.8 была обнаружена грубая, требующая незамедлительного исправления ошибка, связанная с NFS. Однако, было недостаточно других изменений, для того чтобы это послужило причиной для выпуска новой младшей ревизии (которой должна была стать 2.6.9). Поэтому была выпущена версия 2.6.8.1 с единственным исправлением в виде исправления для этой ошибки. С ядра 2.6.11, эта нумерация была адаптирована в качестве новой официальной политики версий. Исправления ошибок и заплатки безопасности теперь обозначаются с помощью четвёртого числа, тогда как большие изменения выполняются в изменениях младшей версии ревизии ядра (число C).

Поддержка

В то время как Торвальдс продолжает выпускать новые экспериментальные версии, руководство «старыми» стабильными версиями передаётся другим лицам:

Что такое ядро ​​Linux?

Введите ключевые слова

Свяжитесь с нами

Выберите язык

  • 简体 中文
  • Английский
  • Français
  • Deutsch
  • Italiano
  • 日本語
  • 한국어

  • Добро пожаловать,

    Войдите в свою учетную запись Red Hat

    Войдите в систему

    Ваша учетная запись Red Hat дает вам доступ к вашему профилю участника и предпочтениям, а также к следующим услугам в зависимости от вашего статуса клиента:

    Зарегистрируйтесь сейчас

    Еще не зарегистрированы? Вот несколько причин, по которым вы должны это сделать:

    • Просматривайте статьи базы знаний, управляйте обращениями в службу поддержки и подписками, загружайте обновления и многое другое из одного места.
    • Просмотр пользователей в вашей организации и изменение информации об их учетных записях, предпочтениях и разрешениях.
    • Управляйте своими сертификатами Red Hat, просматривайте историю экзаменов и загружайте логотипы и документы, связанные с сертификацией.

    Редактировать свой профиль и предпочтения

    Ваша учетная запись Red Hat дает вам доступ к вашему профилю участника, предпочтениям и другим услугам в зависимости от вашего статуса клиента.

    В целях безопасности, если вы находитесь на общедоступном компьютере и завершили использование служб Red Hat, обязательно выйдите из системы.

    Выход

    Логин аккаунта

    Ядро Linux® является основным компонентом операционной системы (ОС) Linux и основным интерфейсом между аппаратным обеспечением компьютера и его процессами. Он взаимодействует между ними, максимально эффективно управляя ресурсами.

    Ядро названо так потому, что, подобно семени внутри жесткой оболочки, оно существует внутри ОС и управляет всеми основными функциями оборудования, будь то телефон, ноутбук, сервер или любой другой тип компьютера.

    В ядре есть 4 задания:

    1. Управление памятью:  Отслеживание того, сколько памяти используется для хранения чего и где

    2. Управление процессами: ), когда и как долго
    3. Драйверы устройств: Действовать как посредник/интерпретатор между оборудованием и процессами
    4. Системные вызовы и безопасность: Получать запросы на обслуживание от процессов

    Ядро, если оно реализовано правильно, невидимо для пользователя, работает в своем собственном маленьком мире, известном как пространство ядра, где он выделяет память и отслеживает, где все хранится. То, что видит пользователь, например веб-браузеры и файлы, называется пользовательским пространством. Эти приложения взаимодействуют с ядром через интерфейс системных вызовов (SCI).

    Подумайте об этом так:  Ядро — это занятой личный помощник влиятельного руководителя (аппаратного обеспечения). Работа помощника состоит в том, чтобы передавать сообщения и запросы (процессы) от сотрудников и публики (пользователей) руководителю, помнить, что и где хранится (память), и определять, кто имеет доступ к руководителю в любой момент времени и как. длинная.

    Чтобы представить ядро ​​в контексте, вы можете представить машину Linux как имеющую 3 уровня:

    1. Аппаратное обеспечение: Физическая машина — нижняя часть или основа системы, состоящая из памяти (RAM) и процессора или центрального процессора (CPU), а также устройств ввода-вывода (I/O), таких как хранилище , сеть и графика. ЦП выполняет вычисления, считывает и записывает в память.
    2. Ядро Linux: Ядро ОС. (Видите? Это прямо посередине.) Это программное обеспечение, находящееся в памяти, которое сообщает процессору, что делать.
    3. Пользовательские процессы: Это запущенные программы, которыми управляет ядро. Пользовательские процессы — это то, что в совокупности составляет пользовательское пространство. Пользовательские процессы также известны как просто процессы . Ядро также позволяет этим процессам и серверам взаимодействовать друг с другом (известное как межпроцессное взаимодействие или IPC).

    Код, выполняемый системой, выполняется на ЦП в одном из двух режимов: режиме ядра или пользовательском режиме. Код, работающий в режиме ядра, имеет неограниченный доступ к оборудованию, а в пользовательском режиме доступ к ЦП и памяти ограничен SCI. Аналогичное разделение существует для памяти (пространство ядра и пространство пользователя). Эти две небольшие детали составляют основу для некоторых сложных операций, таких как разделение привилегий для обеспечения безопасности, создание контейнеров и виртуальных машин.

    Это также означает, что в случае сбоя процесса в пользовательском режиме ущерб ограничен и может быть устранен ядром. Однако из-за доступа к памяти и процессору сбой процесса ядра может привести к сбою всей системы. Поскольку существуют меры безопасности и разрешения, необходимые для пересечения границ, сбои пользовательских процессов обычно не вызывают слишком много проблем.
    Кроме того, поскольку ядро ​​Linux может продолжать работать во время установки исправлений в реальном времени, нет простоев, пока применяются исправления для исправления безопасности.

    В Red Hat Linux является основой всего, что мы делаем. Red Hat — второй по величине корпоративный разработчик ядра Linux, обладающий 25-летним опытом и знаниями, а также большим сообществом партнеров, заказчиков и экспертов из всей отрасли. Это долгие отношения с историей и уровнем опыта, которые трудно найти.

    Ядро Linux имеет открытый исходный код, а открытый исходный код лежит в основе ценностей Red Hat. Узнайте, почему мы построили нашу компанию на убеждении, что Red Hat® Enterprise Linux — лучший продукт.

    Пройдите нашу оценку Linux

    Учебное пособие по ядру Linux для начинающих

    Операционная система, сокращенно ОС, представляет собой часть программного обеспечения, которое управляет аппаратными компонентами системы, будь то телефон, ноутбук или настольный компьютер. Он отвечает за связь между программным обеспечением и оборудованием. Windows XP, Windows 8, Linux и Mac OS X — все это примеры операционных систем. Операционная система состоит из:

    • Загрузчик: программное обеспечение, отвечающее за процесс загрузки вашего устройства.
    • Ядро: ядро ​​системы, управляющее процессором, памятью и периферийными устройствами.
    • Демоны: фоновые службы.
    • Сеть: системы связи для отправки и получения данных между системами.
    • Оболочка: содержит командный процесс, который позволяет манипулировать устройством с помощью команд, введенных в текстовый интерфейс.
    • Графический сервер: подсистема, которая отображает графику на вашем экране.
    • Desktop Environment: это то, с чем обычно взаимодействуют пользователи.
    • Приложения: это программы, выполняющие задачи пользователя, такие как текстовые процессоры.

    Пространство ядра и пространство пользователя

    Пространство ядра: ядро ​​находится в состоянии системы с повышенными привилегиями, которое включает защищенное пространство памяти и полный доступ к оборудованию устройства. Это системное состояние и пространство памяти в целом называются пространством ядра. В пространстве ядра основной доступ к оборудованию и системным службам управляется и предоставляется как услуга для остальной части системы.

    Пространство пользователя: приложения пользователя выполняются в пространстве пользователя, где они могут получить доступ к подмножеству доступных ресурсов машины через системные вызовы ядра. С помощью основных служб, предоставляемых ядром, можно создать приложение пользовательского уровня, например, игровое или офисное программное обеспечение.

    Linux

    Популярность Linux за последние годы возросла благодаря открытому исходному коду, основанному на UNIX-подобном дизайне и портированному на большее количество платформ по сравнению с другими конкурирующими операционными системами. Как указано, это операционная система, напоминающая ОС UNIX — стабильная многопользовательская многозадачная операционная система, которая была собрана как бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом для разработки и распространения. Это означает, что любое лицо или компания имеют право использовать, имитировать, изучать и изменять операционную систему Linux любым способом, который они пожелают.

    Ядро Linux

    С момента своего первого выпуска 17 сентября 1991 года ядро ​​Linux, несмотря ни на что, стало определяющим компонентом Linux. Он был выпущен Линусом Торвальдсом и использует GNU/Linux для описания операционной системы. ОС Android на основе ядра Linux на смартфонах позволила Linux превзойти конкурентов и стать самой большой установленной базой ОС среди всех операционных систем общего назначения. Историю ядра Linux можно найти здесь.

    Ядро может быть монолитным, микроядерным или гибридным (например, OS X и Windows 7). Ядро Linux — это монолитное ядро ​​компьютерной операционной системы, напоминающее систему UNIX. Линия операционных систем Linux, обычно называемая дистрибутивами Linux, основана на этом ядре. Монолитное ядро, в отличие от микроядра, включает в себя не только центральный процессор, память и IPC, но также имеет драйверы устройств, вызовы системного сервера и управление файловой системой. Они лучше всего взаимодействуют с оборудованием и выполняют несколько задач одновременно. Именно по этой причине процессы здесь реагируют с большой скоростью.

    Тем не менее, несколько недостатков связаны с огромным объемом установки и требуемым объемом памяти, а также с недостаточной безопасностью, поскольку все работает в режиме супервизора. Напротив, микроядро может медленно реагировать на вызовы приложений, поскольку пользовательские службы и ядро ​​разделены. Таким образом, они меньше по размеру по сравнению с монолитным ядром. Микроядра легко расширяемы, но для написания микроядра требуется больше кода. Ядро Linux написано на языках программирования C и Assembly.

    Связь ядра Linux с аппаратным обеспечением

    Ядро может управлять аппаратным обеспечением системы с помощью так называемых прерываний. Когда аппаратное обеспечение хочет взаимодействовать с системой, выдается прерывание, которое прерывает работу процессора, который, в свою очередь, делает то же самое с ядром. Для обеспечения синхронизации ядро ​​может отключать прерывания, будь то одно или все прерывания. В Linux, однако, обработчики прерываний не работают в контексте процесса, вместо этого они работают в контексте прерывания, не связанном с каким-либо процессом. Этот конкретный контекст прерывания существует исключительно для того, чтобы позволить обработчику прерывания быстро реагировать на отдельное прерывание, а затем, наконец, выйти. .

    Чем ядро ​​Linux отличается от других классических ядер Unix?

    Между ядром Linux и ядрами Classic Unix существуют значительные различия; как указано ниже:

    1. Linux поддерживает динамическую загрузку модулей ядра.
    2. Ядро Linux является вытесняющим.
    3. Linux поддерживает симметричную многопроцессорность.
    4. Linux бесплатна из-за своей природы открытого программного обеспечения.
    5. Linux игнорирует некоторые стандартные функции Unix, которые разработчики ядра называют «плохо спроектированными».
    6. Linux предоставляет объектно-ориентированную модель устройства с классами устройств, событиями с возможностью горячей замены и файловой системой устройства в пользовательском пространстве
    7. Ядро Linux не различает потоки и обычные процессы.

    Компоненты ядра Linux

    Ядро — это просто менеджер ресурсов; управляемый ресурс может быть процессом, памятью или аппаратным устройством. Он управляет и разрешает доступ к ресурсу между несколькими конкурирующими пользователями. Ядро Linux находится в пространстве ядра, ниже пространства пользователя, где выполняются приложения пользователя. Для взаимодействия пространства пользователя с пространством ядра включена библиотека GNU C, которая предоставляет форум для интерфейса системных вызовов для подключения к пространству ядра и позволяет вернуться в пространство пользователя.

    Ядро Linux можно разделить на три основных уровня:

    1. Интерфейс системного вызова ; это самый верхний и выполняет основные действия, такие как чтение и запись.
    2. Код ядра ; находится ниже интерфейса системных вызовов, он является общим для всех процессорных архитектур, поддерживаемых Linux, иногда его определяют как архитектурно-независимый код ядра.
    3. Архитектурно-зависимый код ; он находится в независимом от архитектуры коде и формирует то, что обычно называют пакетом поддержки платы (BSP) — он содержит небольшую программу, называемую загрузчиком, которая помещает операционную систему и драйверы устройств в память.

    Архитектурная перспектива ядра Linux состоит из: интерфейса системных вызовов, управления процессами, виртуальной файловой системы, управления памятью, сетевого стека, архитектуры и драйверов устройств.

    1. Интерфейс системного вызова ; это тонкий слой, который используется для выполнения вызовов функций из пользовательского пространства в ядро. Этот интерфейс может зависеть от архитектуры
    2. Управление процессами ; в основном там для выполнения процессов. Они называются потоком в ядре и представляют собой индивидуальную виртуализацию конкретного процессора 9.0008
    3. Управление памятью ; память управляется в так называемых страницах для эффективности. Linux включает в себя методы управления доступной памятью, а также аппаратные механизмы для физического и виртуального сопоставления. Также предоставляется пространство подкачки
    4. Виртуальная файловая система ; он обеспечивает стандартную абстракцию интерфейса для файловых систем. Он обеспечивает уровень переключения между интерфейсом системных вызовов и файловыми системами, поддерживаемыми ядром.
    5. Сетевой стек ; спроектирован как многоуровневая архитектура, созданная по образцу конкретных протоколов.
    6. Драйверы устройств ; значительная часть исходного кода ядра Linux находится в драйверах устройств, которые позволяют использовать конкретное аппаратное устройство. Руководство по драйверам устройств
    7. Код, зависящий от архитектуры ; те элементы, которые зависят от архитектуры, в которой они работают, поэтому должны учитывать архитектурный дизайн для нормальной работы и эффективности.

    Системные вызовы и прерывания

    Приложения передают информацию ядру через системные вызовы. Библиотека содержит функции, с которыми работают приложения. Затем библиотеки через интерфейс системных вызовов дают указание ядру выполнить задачу, которую хочет приложение. Что такое системный вызов Linux?

    Прерывания позволяют ядру Linux управлять аппаратным обеспечением системы. Если аппаратное обеспечение должно взаимодействовать с системой, прерывание процессора делает свое дело, и оно передается ядру Linux.

    Интерфейсы ядра Linux

    Ядро Linux предлагает различные интерфейсы для приложений пространства пользователя, которые выполняют множество задач и имеют разные свойства. Существуют два различных интерфейса прикладного программирования (API); пространство пользователя ядра и внутреннее ядро ​​. API Linux — это API ядра-пользователя ; он дает доступ программам в пользовательском пространстве к системным ресурсам и службам ядра. Он состоит из интерфейса системных вызовов и подпрограмм из библиотеки GNU C.

    Linux ABI

    Это относится к ABI пользовательского пространства ядра (бинарному интерфейсу приложений). Это объясняется интерфейсом, существующим между программными модулями. При сравнении API и ABI разница заключается в том, что ABI используются для доступа к уже скомпилированным внешним кодам, а API — это структуры для управления программным обеспечением. Определение важного ABI — это в основном работа дистрибутивов Linux, а не ядра Linux. Для каждого набора инструкций должен быть определен определенный ABI, например, x86-64. Конечные пользователи продуктов Linux больше заинтересованы в ABI, чем в API.

    Интерфейс системного вызова

    Как обсуждалось ранее, он играет более заметную роль в ядре. Это наименование целой части всех существующих системных вызовов.

    Стандартная библиотека C

    Все системные вызовы ядра находятся в библиотеке GNU C, тогда как Linux API состоит из интерфейса системных вызовов и библиотеки GNU C, также называемой glibc.

    Интерфейс переносимой операционной системы (POSIX)

    POSIX — это собирательный термин стандартов для обеспечения совместимости между операционными системами. Он объявляет API вместе с служебными интерфейсами и оболочками командной строки. Linux API не только имеет полезные функции, определенные POSIX, но также имеет дополнительные функции в своем ядре:

    1. Cgroups подсистема.
    2. Системные вызовы Диспетчера прямой визуализации.
    3. Функция упреждающего чтения .
    4. Вызов Getrandom , присутствующий в V 3.17.
    5. Системные вызовы, такие как futex , epoll , splice, dnotify , fanotify и inotify .

    Дополнительная информация о стандарте POSIX находится здесь.

    Предыдущие версии ядра Linux были устроены таким образом, что все их части были статически скреплены в одну, монолитную. Однако современные ядра Linux содержат большую часть своей функциональности в модулях, которые динамически помещаются в ядро. Это, в отличие от монолитных типов, называется модульным ядром. Такая настройка позволяет пользователю загружать или заменять модули в работающем ядре без необходимости перезагрузки.

    Загружаемый модуль ядра Linux (LKM)

    Основным способом добавления кода в ядро ​​Linux является добавление исходных файлов в дерево исходных текстов ядра. Однако вы можете захотеть добавить код во время работы ядра. Добавленный таким образом код называется загружаемым модулем ядра. Эти конкретные модули выполняют различные задачи, но делятся на три: драйверы устройств, драйверы файловой системы и системные вызовы.

    Загружаемый модуль ядра можно сравнить с расширениями ядра в других операционных системах. Вы можете поместить модуль в ядро, либо загрузив его как LKM, либо привязав его к базовому ядру.

    Преимущества LKM по сравнению с привязкой к базовому ядру:

    • Часто пересборка ядра не требуется, что экономит время и позволяет избежать ошибок.
    • Они помогают выявить системные проблемы, такие как ошибки.
    • LKM экономят место, так как вы загружаете их только тогда, когда вам нужно их использовать.
    • Ускорьте техническое обслуживание и отладку.

    Использование LKM

    1. Драйверы устройств; через него ядро ​​обменивается информацией с оборудованием. Ядро должно иметь драйвер устройства перед его использованием.
    2. Драйверы файловой системы ; переводит содержимое файловой системы
    3. Системные вызовы; программы в пользовательском пространстве используют системные вызовы для получения услуг от ядра.
    4. Сетевые драйверы; интерпретирует сетевой протокол
    5. Исполняемые интерпретаторы; загружает исполняемый файл и управляет им.

    В отличие от того, что говорит большинство людей, компиляция ядра Linux — простая задача. Ниже приведена пошаговая иллюстрация процесса с использованием одного из дистрибутивов Linux: Fedora 13 KDE. (Желательно сделать резервную копию ваших данных и grub. conf на случай, если что-то пойдет не так)

    1. Загрузите исходный код с веб-сайта http://kernel.org.
    2. Находясь в каталоге загрузок, извлеките исходный код ядра из архива, введя в терминале следующую команду:
       tar xvjf Linux-2.6.37.tar.bz2
    3. Используйте команду make mrproper для очистки области сборки перед любой компиляцией.
    4. Используйте конфигурацию, скажем, xconfig. Эти конфигурации предназначены для облегчения запуска любой программы в Linux.
    5. Укажите модули и функции, которые вы хотите, чтобы ваше ядро ​​содержало.
    6. После получения файла .config следующим шагом будет переход к Makefile
    7. Запустите команду make и дождитесь завершения компиляции.
    8. Установите модули с помощью команды make modules_install
    9. Скопируйте ядро ​​и карту системы в /boot.
    10. Запустите new-kernel-pkg для создания списка зависимостей модулей и прочего, например grub. conf

    Можно обновить ядро ​​Linux с более старой версии до более новой, сохранив при этом все параметры конфигурации из более ранней версии. Для этого нужно сначала сделать резервную копию .config в исходном каталоге ядра; это на случай, если что-то пойдет не так при попытке обновить ядро. Шаги:

    1. Получить последний исходный код с основного веб-сайта kernel.org
    2. Примените изменения к старому дереву исходного кода, чтобы обновить его до последней версии.
    3. Перенастройте ядро ​​на основе ранее созданного файла конфигурации ядра.
    4. Соберите новое ядро.
    5. Теперь можно установить новую сборку ядра.

    Загрузка нового источника ; Разработчики ядра Linux понимают, что некоторые пользователи могут не захотеть загружать полный исходный код обновлений ядра, так как это приведет к пустой трате времени и трафика. Поэтому доступен патч, который может обновить старую версию ядра. Пользователям нужно только знать, какой патч относится к конкретной версии, поскольку файл патча ядра будет обновлять исходный код только из одного конкретного выпуска. Различные файлы исправлений можно применять следующими способами;

    1. Стабильные исправления ядра, применимые к базовой версии ядра.
    2. Исправления выпуска базового ядра применяются только к предыдущей версии базового ядра
      3. .
    3. Инкрементальное обновление исправления с определенного выпуска до следующего выпуска. Это позволяет разработчикам избежать суеты, связанной с понижением версии, а затем обновлением своего ядра. Вместо этого они могут переключиться с текущей стабильной версии на следующую стабильную версию.

    Ниже приведены более подробные инструкции по обновлению ядра из исходного кода в Debian и из готовых двоичных файлов в CentOS и Ubuntu.

    Ядро Linux в основном действует как менеджер ресурсов, действующий как абстрактный уровень для приложений. Приложения связаны с ядром, которое, в свою очередь, взаимодействует с оборудованием и обслуживает приложения. Linux — это многозадачная система, позволяющая одновременно выполнять несколько процессов. Ядро Linux популярно благодаря своей природе с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям изменять ядро ​​так, чтобы оно подходило им и их оборудованию. Поэтому его можно использовать на самых разных устройствах, в отличие от других операционных систем.

    Модульная характеристика ядра Linux делает его работу более увлекательной для пользователей. Это связано с большим разнообразием модификаций, которые можно выполнить здесь без перезагрузки системы. Гибкость дает пользователям большие возможности для реализации их воображения.

    Кроме того, монолитность ядра является большим преимуществом, поскольку оно обладает более высокой вычислительной способностью, чем микроядро. Основная проблема с ядром типа Linux заключается в том, что если какая-либо из его служб выходит из строя, то вместе с ней падает и вся система. Последние версии разработаны таким образом, что при добавлении новой службы нет необходимости изменять всю операционную систему. Это улучшение по сравнению с предыдущими версиями.

    Источники
    1. Википедия Ядро Linux
    2. Википедия Интерфейсы ядра Linux
    3. Загружаемый модуль ядра Linux Как сделать
    4. linux.com руководство для начинающих
    5. https://www.quora.com/What-are-good-tutorials-to-learn-Linux-Kernel
    6. https://unix.stackexchange.com/questions/1003/linux-kernel-good-beginners-tutorial
    7. https://www.howtogeek.com/howto/31632//what-is-the-linux-kernel-and-what-does-it-do/

    Что такое ядро? Типы ядер

    По

    • Стивен Дж. Бигелоу, Старший редактор технологий
    • Джессика Лулка, Редактор сайта

    Что такое ядро?

    Ядро является важной основой операционной системы (ОС) компьютера. Это ядро, которое предоставляет базовые услуги для всех остальных частей ОС. Это основной слой между ОС и базовым аппаратным обеспечением компьютера, и он помогает с такими задачами, как управление процессами и памятью, файловые системы, управление устройствами и сетью.

    Во время обычного запуска системы базовая система ввода-вывода компьютера, или BIOS, выполняет аппаратную начальную загрузку или инициализацию. Затем он запускает загрузчик, который загружает ядро ​​с устройства хранения, например жесткого диска, в защищенное пространство памяти. Как только ядро ​​загружается в память компьютера, BIOS передает управление ядру. Затем он загружает другие компоненты ОС, чтобы завершить запуск системы и сделать управление доступным для пользователей через рабочий стол или другой пользовательский интерфейс.

    Если ядро ​​повреждено или не может успешно загрузиться, компьютер не сможет запуститься полностью — если вообще запустится. Для этого потребуется сервис для исправления поломки оборудования или восстановления ядра операционной системы до рабочей версии.

    Ядро служит мостом между операционной системой и оборудованием.

    Каково назначение ядра?

    В общих чертах ядро ​​ОС выполняет три основные задачи.

    1. Предоставляет интерфейсы, необходимые пользователям и приложениям для взаимодействия с компьютером.
    2. Запускает приложения и управляет ими.
    3. Управляет аппаратными устройствами базовой системы.

    Если говорить более подробно, выполнение этих трех функций ядра требует ряда компьютерных задач, включая следующие:

    • загрузка и управление менее важными компонентами ОС, такими как драйверы устройств;
    • организация и управление потоками и различными процессами, порожденными работающими приложениями;
    • планирование того, какие приложения могут получать доступ к ядру и использовать его, и контроль за этим использованием, когда наступает запланированное время;
    • определение того, какое незащищенное пространство пользовательской памяти использует каждый процесс приложения;
    • обработка конфликтов и ошибок при распределении и управлении памятью;
    • управление и оптимизация аппаратных ресурсов и зависимостей, таких как центральный процессор (ЦП) и использование кэша, работа файловой системы и механизмы сетевого транспорта;
    • управление и доступ к устройствам ввода-вывода, таким как клавиатуры, мыши, дисководы, USB-порты, сетевые адаптеры и дисплеи; и
    • обрабатывает системные вызовы устройств и приложений с использованием различных механизмов, таких как аппаратные прерывания или драйверы устройств.

    Планирование и управление занимают центральное место в работе ядра. Компьютерное оборудование может делать только одну вещь за раз. Однако компоненты операционной системы и приложения компьютера могут порождать десятки и даже сотни процессов, которые должны быть размещены на компьютере. Все эти процессы не могут одновременно использовать аппаратное обеспечение компьютера, например, адрес памяти или конвейер инструкций ЦП. Ядро является центральным менеджером этих процессов. Он знает, какие аппаратные ресурсы доступны и какие процессы в них нуждаются. Затем он выделяет время для каждого процесса, чтобы использовать эти ресурсы.

    Ядро критически важно для работы компьютера и требует тщательной защиты в системной памяти. Пространство ядра, в которое он загружается, является защищенной областью памяти. Это защищенное пространство памяти гарантирует, что другие приложения и данные не перезапишут или не навредят ядру, вызывая проблемы с производительностью, нестабильность или другие негативные последствия. Вместо этого приложения загружаются и выполняются в общедоступном пространстве памяти пользователя.

    Ядро часто противопоставляют оболочке, которая является самой внешней частью ОС, взаимодействующей с пользовательскими командами. Термины «ядро» и «оболочка» чаще используются в операционных системах Unix, чем в системах мэйнфреймов IBM и Microsoft Windows.

    Не следует путать ядро ​​с BIOS, которая представляет собой независимую программу, хранящуюся на микросхеме печатной платы компьютера.

    Драйверы устройств

    Ключевой частью работы ядра является связь с аппаратными устройствами внутри и вне физического компьютера. Однако нецелесообразно писать ОС, способную взаимодействовать со всеми возможными существующими устройствами. Вместо этого ядра полагаются на способность драйверов устройств добавлять в ядро ​​поддержку специализированных устройств, таких как принтеры и графические адаптеры.

    Когда ОС устанавливается на компьютер, при установке добавляются драйверы устройств для любых определенных устройств, обнаруженных на компьютере. Это помогает адаптировать установку ОС к конкретной системе с достаточным количеством компонентов для поддержки имеющихся устройств. Когда новое или улучшенное устройство заменяет существующее устройство, драйвер устройства обновляется или заменяется.

    Существует несколько типов драйверов устройств. Каждый из них относится к разным типам передачи данных. Ниже приведены некоторые из основных типов драйверов:

    • Драйверы символьных устройств реализуют, открывают, закрывают, читают и записывают данные, а также предоставляют доступ к потоку данных для пространства пользователя.
      • Драйверы блочных устройств
    • обеспечивают доступ к устройствам для оборудования, которое передает произвольно доступные данные фиксированными блоками.
    • Драйверы сетевых устройств передают пакеты данных для аппаратных интерфейсов, которые подключаются к внешним системам.

    Драйверы устройств классифицируются как ядро ​​или пользовательские. Драйвер устройства режима ядра — это универсальный драйвер, который загружается вместе с ОС. Эти драйверы часто подходят для небольших категорий основных аппаратных устройств, таких как драйверы ЦП и материнской платы.

    Драйверы устройств пользовательского режима включают набор специальных драйверов, используемых для вторичного рынка, добавляемых пользователем устройств, таких как принтеры, графические адаптеры, мыши, усовершенствованные звуковые системы и другие устройства plug-and-play.

    ОС нужен код, составляющий ядро. Следовательно, код ядра обычно загружается в защищенную область памяти компьютера, чтобы он не перекрывался менее часто используемыми частями ОС.

    Режим ядра и пользовательский режим

    Разработчики компьютеров давно осознали важность безопасности и необходимость защиты важнейших аспектов работы компьютера. Задолго до появления Интернета или даже появления сетей разработчики тщательно управляли доступом программных компонентов к системному оборудованию и ресурсам. Процессоры были разработаны для поддержки двух режимов работы: режима ядра и пользовательского режима.

    Режим ядра

    Режим ядра относится к режиму процессора, который позволяет программному обеспечению иметь полный и неограниченный доступ к системе и ее ресурсам. Ядро ОС и драйверы ядра, такие как драйвер файловой системы, загружаются в защищенное пространство памяти и работают в этом высокопривилегированном режиме ядра.

    Пользовательский режим

    Пользовательский режим относится к режиму процессора, который позволяет загружать и выполнять пользовательские приложения, такие как текстовый процессор или видеоигра. Ядро подготавливает пространство памяти и ресурсы для использования этим приложением и запускает приложение в этом пользовательском пространстве памяти.

    Приложения пользовательского режима менее привилегированы и не могут напрямую обращаться к системным ресурсам. Вместо этого приложение, работающее в пользовательском режиме, должно выполнять системные вызовы ядра для доступа к системным ресурсам. Затем ядро ​​выступает в качестве менеджера, планировщика и привратника для этих ресурсов и работает над предотвращением конфликтующих запросов ресурсов.

    Процессор переключается в режим ядра, когда ядро ​​обрабатывает системные вызовы, а затем снова переключается в пользовательский режим, чтобы продолжить работу с приложениями.

    Стоит отметить, что режимы ядра и пользователя являются состояниями процессора и не имеют ничего общего с реальной твердотельной памятью. В памяти, используемой для режима ядра, нет ничего внутренне безопасного или защищенного. Сбои драйвера ядра и сбои памяти в пространстве памяти ядра могут привести к сбою ОС и компьютера.

    Типы ядер

    Ядра делятся на три архитектуры: монолитная, микроядерная и гибридная. Основное различие между этими типами заключается в количестве адресных пространств, которые они поддерживают.

    • Микроядро делегирует пользовательские процессы и службы и службы ядра в разные адресные пространства.
    • Монолитное ядро ​​реализует службы в одном и том же адресном пространстве.
    • Гибридное ядро, такое как ядра Microsoft Windows NT и Apple XNU, пытается объединить поведение и преимущества архитектуры микроядра и монолитного ядра.

    В целом, эти реализации ядра представляют собой компромисс: администраторы получают гибкость большего количества исходного кода с микроядрами или они получают повышенную безопасность без опций настройки с монолитным ядром.

    Некоторые конкретные различия между тремя типами ядра включают следующее:

    Микроядра

    Микроядра имеют все свои службы в адресном пространстве ядра. Для своего протокола связи микроядра используют передачу сообщений, которая отправляет пакеты данных, сигналы и функции нужным процессам. Микроядра также обеспечивают большую гибкость, чем монолитные ядра; чтобы добавить новую службу, администраторы изменяют адресное пространство пользователя для микроядра.

    Из-за своей изолированной природы микроядра более безопасны, чем монолитные ядра. Они остаются незатронутыми в случае сбоя одной службы в адресном пространстве.

    Ядра монолитные

    Монолитные ядра больше, чем микроядра, потому что они содержат как ядро, так и пользовательские службы в одном и том же адресном пространстве. Монолитные ядра используют более быстрый протокол связи системных вызовов, чем микроядра, для выполнения процессов между аппаратным и программным обеспечением. Они менее гибкие, чем микроядра, и требуют больше работы; администраторы должны перестроить все ядро ​​​​для поддержки новой службы.

    Монолитные ядра представляют большую угрозу безопасности для систем, чем микроядра, потому что в случае сбоя службы выключается вся система. Монолитные ядра также не требуют столько исходного кода, как микроядра, что означает, что они менее подвержены ошибкам и требуют меньше отладки.

    Ядро Linux — это монолитное ядро, которое постоянно растет; в 2018 году в нем было 20 миллионов строк кода. На базовом уровне он разделен на множество подсистем. Эти основные группы включают интерфейс системных вызовов, управление процессами, сетевой стек, управление памятью, виртуальную файловую систему и драйверы устройств.

    Администраторы могут портировать ядро ​​Linux в свои операционные системы и запускать оперативные обновления. Эти функции, а также тот факт, что Linux является открытым исходным кодом, делают его более подходящим для серверных систем и сред, требующих обслуживания в режиме реального времени.

    Гибридные ядра

    Apple разработала ядро ​​ОС XNU в 1996 году как гибрид ядер Mach и Berkeley Software Distribution (BSD) и соединила его с интерфейсом прикладного программирования Objective-C или API. Поскольку это сочетание монолитного ядра и микроядра, оно имеет повышенную модульность, а части ОС получают защиту памяти.

    Посмотрите, как настраивается адресное пространство пользователя и ядра для физической памяти в Windows 10.

    История и развитие ядра

    До появления ядра разработчики кодировали действия непосредственно для процессора, вместо того чтобы полагаться на ОС для завершения взаимодействия между аппаратным и программным обеспечением.

    Первая попытка создать операционную систему, использующую ядро ​​для передачи сообщений, была предпринята в 1969 году с помощью мультипрограммной системы RC 4000. Программист Пер Бринч Хансен обнаружил, что проще создать ядро, а затем построить ОС, чем преобразовывать существующие ОС для совместимости с новым оборудованием. Это ядро ​​— или ядро ​​— содержало весь исходный код для облегчения связи и систем поддержки, устраняя необходимость прямого программирования на ЦП.

    После RC 4000 исследователи Bell Labs начали работу над Unix, что радикально изменило разработку ОС, а также разработку и интеграцию ядра. Цель Unix состояла в том, чтобы создать небольшие утилиты, которые хорошо справляются с конкретными задачами, вместо того, чтобы системные утилиты пытались работать в многозадачном режиме. С точки зрения пользователя это упрощает создание сценариев оболочки, сочетающих в себе простые инструменты.

    По мере распространения Unix на рынке стали появляться различные Unix-подобные компьютерные ОС, включая BSD, NeXTSTEP и Linux. Структура Unix увековечила идею о том, что проще построить ядро ​​поверх ОС, которая повторно использует программное обеспечение и имеет согласованное оборудование, вместо того, чтобы полагаться на систему с разделением времени, которая не требует ОС.

    Unix перенесла операционные системы на большее количество индивидуальных систем, но исследователи из Carnegie Mellon расширили технологию ядра. С 1985 по 1994 год они расширили работу над ядром Маха. В отличие от BSD, ядро ​​Mach не зависит от ОС и поддерживает многопроцессорные архитектуры. Исследователи сделали его двоично-совместимым с существующим программным обеспечением BSD, что сделало его доступным для немедленного использования и продолжения экспериментов.

    Первоначальная цель ядра Mach заключалась в том, чтобы стать более чистой версией Unix и более переносимой версией ядра межпроцессорных коммуникаций Accent (IPC) Carnegie Mellon. Со временем ядро ​​принесло новые функции, такие как порты и программы на основе IPC, и в конечном итоге превратилось в микроядро.

    Вскоре после ядра Mach, в 1986 году, разработчик Vrije Universiteit Amsterdam Эндрю Таненбаум выпустил MINIX (мини-Unix) для образовательных и исследовательских целей. Этот дистрибутив содержал структуру на основе микроядра, многозадачность, защищенный режим, поддержку расширенной памяти и компилятор Си Американского национального института стандартов.

    Следующее крупное достижение в технологии ядра произошло в 1992 году, когда было выпущено ядро ​​Linux. Основатель Линус Торвальдс разработал его как хобби, но он по-прежнему лицензировал ядро ​​под общедоступной лицензией, сделав его открытым исходным кодом. Впервые он был выпущен со 176 250 строками кода.

    Большинство операционных систем и их ядер восходят к Unix, но есть одно исключение: Windows. С ростом популярности DOS- и IBM-совместимых ПК Microsoft разработала ядро ​​NT и основала свою ОС на DOS. Вот почему написание команд для Windows отличается от написания команд для Unix-систем.

    Узнайте больше о различиях между монолитной и микроядерной архитектурами.

    Последнее обновление: август 2022 г.

    Продолжить чтение о ядре
    • Утилита ядра Linux может решить сетевые проблемы Kubernetes
    • Почему вам не всегда нужна универсальная операционная система
    • Сравнение безопасности macOS и Windows
    • Устранение неполадок ядра Linux с помощью инструмента аварийного завершения kdump
    • Воспользуйтесь возможностями мониторинга eBPF
    Узнайте больше об эксплуатации, мониторинге и управлении ЦОД
    • паника ядра

      Автор: Рахул Авати

    • операционная система реального времени (RTOS)

      Автор: Александр Гиллис

    • Дебиан

      Автор: Роберт Шелдон

    • Ключевые отличия монолитной архитектуры от микроядерной

      Автор: Брайан Кирш

    SearchWindowsServer

    • Как избежать распространенных проблем с резервным копированием и восстановлением GPO

      Объекты групповой политики помогают администраторам контролировать корпоративную среду, но требуется некоторое планирование, чтобы понять, как . ..

    • Освещение конференции Microsoft Ignite 2022

      Новости, связанные с постоянно расширяющимся портфелем облачных предложений технологической компании, как ожидается, займут центральное место на …

    • Microsoft решит проблему нулевого дня Windows во вторник с октябрьским патчем

      Компания выпустила инструкции по устранению последствий двух угроз нулевого дня Exchange Server, обнаруженных в конце прошлого месяца, но не имевших защиты …

    SearchCloudComputing

    • Партнеры Oracle теперь могут продавать Oracle Cloud как свои собственные

      Oracle Alloy, новая инфраструктурная платформа, позволяет партнерам и аффилированным с Oracle предприятиям перепродавать OCI клиентам в …

    • Dell добавляет Project Frontier для периферии, расширяет гиперконвергентную инфраструктуру с помощью Azure

      На этой неделе Dell представила новости на отдельных мероприятиях — одно из которых демонстрировало программное обеспечение для управления периферийными устройствами, другое — углубление гиперконвергентной инфраструктуры . ..

    • Новый сервис Google нацелен на перенос рабочих нагрузок мэйнфреймов в облако

      Google Cloud хочет перенести рабочие нагрузки и приложения из банков, здравоохранения и других отраслей в облако с помощью нового …

    ПоискХранилище

    • Управляемая служба SAN входит в предварительную версию в Microsoft Azure

      Новейшая служба управляемого хранилища Microsoft Azure, доступная сейчас в предварительной версии, полностью поддерживает требовательные корпоративные сети хранения данных в облаке. Лазурь…

    • DPU и SmartNIC: что нужно знать администраторам систем хранения данных

      Чтобы определить, подходит ли SmartNIC или DPU для их организации, администраторы должны понимать возможности различных …

    • IBM интегрирует хранилище Red Hat для гибридного облака

      Хранилище IBM интегрировало Red Hat OpenShift Data Foundation и Ceph в свое новое предложение гибридного облачного хранилища данных.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *