Что такое ядро в программировании
Перейти к содержимому

Что такое ядро в программировании

  • автор:

Ядро Linux

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.

Программы могут использовать ресурсы аппаратного обеспечения компьютера благодаря ядру ОС

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 и устойчивости к сбоям оборудования. 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 множиться 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

Обычные пользователи имеют дело не с чистым Linux, а с дистрибутивами, которые незначительно отличаются между собой, в том числе по компонентам ядра (например, наличию/отсутствию определенных драйверов). Однако основополагающим компонентом все-равно остается ядро Linux, исходники которого предоставляет проект https://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, так как в основе всех этих систем лежит ядро Linux, 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 v2 (второй версии).

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

Библиотеки GNU С (glibc) выполняет роль оболочки системных вызовов ядра Linux

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. Ранее 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 в PDF

X Скрыть Наверх

Введение в Linux и Bash. Курс

Что такое ядро операционной системы

img

Ядро — это центральный компонент операционной системы. Ядро также считается сердцем операционной системы. Он отвечает за управление всеми процессами, памятью, файлами и т. д. Ядро функционирует на самом низком уровне операционной системы. Он действует как интерфейс (мост) между пользовательским приложением (программным обеспечением) и аппаратным обеспечением. Поэтому связь между программным обеспечением и аппаратным обеспечением осуществляется через ядро.

связь между программным обеспечением и аппаратным обеспечением осуществляется через ядро

Основные функции, которые выполняет ядро:

  • управление процессами
  • управление памятью
  • управление устройством
  • обработка прерываний
  • операции ввода/вывода

Теперь давайте разберемся подробнее в этих функциях ядра.

Функции ядра в операционной системе

Управление процессами

Создание, выполнение и завершение процессов выполняются внутри системы всякий раз, когда система находится во включенном состоянии (режиме ON). Процесс содержит всю информацию о задаче, которую необходимо выполнить. Таким образом, для выполнения любой задачи внутри системы создается процесс. В то же время существует множество процессов, которые находятся в активном состоянии внутри системы. Управление всеми этими процессами очень важно для предупреждения тупиковых ситуаций и для правильного функционирования системы, и оно осуществляется ядром.

Управление памятью

Всякий раз, когда процесс создается и выполняется, он занимает память, и когда он завершается, память должна быть освобождена и может быть использована снова. Но память должна быть обработана кем-то, чтобы освобожденная память могла быть снова назначена новым процессам. Эта задача также выполняется ядром. Ядро отслеживает, какая часть памяти в данный момент выделена и какая часть доступна для выделения другим процессам.

Управление устройствами

Ядро также управляет всеми различными устройствами, подключенными к системе, такими как устройства ввода и вывода и т. д.

Обработка прерываний

При выполнении процессов возникают условия, при которых сначала необходимо решить задачи с большим приоритетом. В этих случаях ядро должно прерывать выполнение текущего процесса и обрабатывать задачи с большим приоритетом, которые были получены в промежутке.

Операции ввода/вывода

Поскольку ядро управляет всеми подключенными к нему устройствами, оно также отвечает за обработку всех видов входных и выходных данных, которыми обмениваются эти устройства. Таким образом, вся информация, которую система получает от пользователя, и все выходные данные, которые пользователь получает через различные приложения, обрабатываются ядром.

Типы ядер в операционной системе

Как выше было сказано ядро — это программа, которая является основным компонентом операционной системы. Теперь давайте рассмотрим типы ядер.

Ядро подразделяется на два основных типа:

  • монолитное ядро
  • Микро-Ядра

Существует еще один тип ядра, который является комбинацией этих двух типов ядер и известен как гибридное ядро. Рассмотрим каждый из них вкратце.

Монолитное Ядро

В этом типе архитектуры ядра все функции, такие как управление процессами, управление памятью, обработка прерываний и т. д. выполняются в пространстве ядра.Монолитные ядра сначала состояли только из одного модуля, и этот модуль отвечал за все функции, которые выполнялись ядром. Это увеличило производительность ОС, так как все функции присутствовали внутри одного модуля, но это также привело к серьезным недостаткам, таким как большой размер ядра, очень низкая надежность, потому что даже если одна функция ядра отказала, это привело к отказу всей программы ядра и плохому обслуживанию, по той же причине. Таким образом, для повышения производительности системы был применен модульный подход в монолитных ядрах, в которых каждая функция присутствовала в отдельном модуле внутри пространства ядра. Таким образом, для исправления любых ошибок или в случае сбоя, только этот конкретный модуль был выгружен и загружен после исправления.

Монолитное Ядро

Микроядра

В этом типе архитектуры ядра основные пользовательские службы, такие как управление драйверами устройств, управление стеком протоколов, управление файловой системой и управление графикой, присутствуют в пространстве пользователя, а остальные функции управление памятью, управление процессами присутствует внутри пространства ядра. Таким образом, всякий раз, когда система имеет потребность в услугах, присутствующих в пространстве ядра, ОС переключается в режим ядра, а для служб пользовательского уровня она переключается в режим пользователя. Этот тип архитектуры ядра уменьшает размер ядра, но скорость выполнения процессов и предоставления других услуг значительно ниже, чем у монолитных ядер.

Микроядра

Гибридное Ядро

Для наилучшей производительности системы нам требуется как высокая скорость, так и малый размер ядра, чтобы наша система могла иметь максимальную эффективность. Поэтому для решения этой задачи был разработан новый тип ядра, который представлял собой комбинацию монолитного ядра и микроядра. Этот тип ядра известен как гибридное ядро. Такой тип архитектуры используется практически во всех системах, которые производятся в настоящее время.

Ядро сайта — что это такое и как его спланировать? [закрыт]

Закрыт. На этот вопрос невозможно дать объективный ответ. Ответы на него в данный момент не принимаются.

Хотите улучшить этот вопрос? Переформулируйте вопрос так, чтобы на него можно было дать ответ, основанный на фактах и цитатах.

Закрыт 1 год назад .

Очень часто я сталкиваюсь с таким понятием как ядро сайта и в связи с этим постоянно возникает ощущение, что я чего-то не знаю, что-то упустил. В общем возникает «сферический вакуум». Объясните мне популярно, что значит это понятие? Какие функции он несет и из чего он состоит? Например: сейчас я пишу свой сайт, где есть и алгоритм подсчета рейтинга, есть модуль добавления статей, регистрация, распределение ролей пользователей и т.д. и т.п. это может называтся «ядром» или нет? Что такое «ядро» сайта и каково его строение?

  • веб-программирование
  • архитектура

Отслеживать
51.2k 86 86 золотых знаков 266 266 серебряных знаков 505 505 бронзовых знаков
задан 5 апр 2011 в 8:09
676 1 1 золотой знак 10 10 серебряных знаков 30 30 бронзовых знаков

5 ответов 5

Сортировка: Сброс на вариант по умолчанию

ядро сайта нужно для того, чтобы связать все эти компоненты(модули) воедино, т.е. подружить их друг с другом. как-то так

Отслеживать
ответ дан 5 апр 2011 в 16:02
585 3 3 серебряных знака 8 8 бронзовых знаков

У нас ядром считается набор подсистем, абстрагированных от бизнес-логики конкретных приложений, используемый в каждом проекте. У нас ядро состоит из:

  • ORM с трёхзвенным linq-провайдером
  • Механизма мягкой работы с базой данных (я описывал её в своём ответе на вопрос «Инкрементальный деплой баз данных»)
  • Различных компонент для автоматической генерации пользовательского интерфейса по объектной модели
  • Компонент, обслуживающих сервис-ориентированную архитектуру
  • Механизма описания баз данных через xml-файлы. Описания используются как при генерации пользовательского интерфейса, так и при генерации документации по базе.

Разработка приложений у нас выглядит примерно так: создаём новую схему базы данных, импортируем в неё наши стандартные модули и их описания. Генерируем базу данных. Создаём в этой базе данных средствами SQL Server новые объекты для новых модулей, разрабатываемых для конкретного заказчика. Генерируем схему базы данных с новыми модулями. Описываем новые модули и генерируем по ним код бизнс-объектов. Потом расширяем сгенерированную объектную модель бизнес-логикой и специальными методами / свойствами, которые должны отображаться как элементы пользовательского интерфейса. Потом разрабатываем нестандартную функциональность, которую невозможно сгенерировать по объектной модели автоматически. Потом тестируем. Автоматические тесты ловят типичные ошибки проектирования базы данных, настроек кодогенератора и описаний, ручное тестирование позволяет отследить работоспособность программ с точки зрения конечного пользователя.

В общем случае — ядро — это некая инфраструктура, в которую уже вписана прикладная часть приложения. Его имеет смысл делать, если у Вас много похожих проектов, чтобы автоматизировать однотипную работу.

Ядро операционной системы, его виды и его архитектура

Ядро́ (kernel) — центральная часть ОС, обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации. 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 их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Виды архитектур ядер операционных систем:

Монолитное ядро ОС
Представляет богатый набор оборудования. Все компоненты монолитного ядра находятся в одном адресном пространстве. Эта схема ОС, когда все части ее ядра — это составные части одной программы. Монолитное ядро — самый старый способ организации ОС.
Достоинства: высокая скорость работы, простая разработка модулей.
Недостатки: Ошибка работы одного из компонентов ядра нарушает работу всей системы.
Модульное ядро ОС
Это современная модификация монолитных ядер ОС, но в отличие от них модульное ядро не требует полной перекомпиляции ядра при изменения аппаратного обеспечения компьютера. Более того модульные ядра имеют механизм погрузки модулей ядра. Погрузка бывает статической- с перезагрузкой ОС, и динамической — без перезагрузки ОС.
Микроядро ОС
Представляет только основные функции управления процессами и минимальный набор для работы с оборудованием.
Достоинства: устойчивость к сбоям и ошибкам оборудования и компонентов системы, высокая степень ядерной модульности, что упрощает добавление в ядро новых компонентов и процесс отладки ядра.
Недостатки: Передача информации требует больших расходов и большого количества времени.
Экзоядро ОС
Такое ядро ОС, которое предоставляет лишь функции взаимодействия процессов, безопасное выделение и распределение ресурсов. Доступ к устройствам на уровне контроллеров позволяет решать задачи, которые нехарактерны для универсальной ОС.
Наноядро ОС
Такое ядро выполняет только единственную задачу- обработку аппаратных прерываний, образуемых устройствами ПК. После обработки наноядро посылает данные о результатах обработки далее идущему в цепи программному обеспечения при помощи той же системы прерываний.
Гибридное ядро ОС
Модификация микроядер, позволяющая для ускорения работы впускать несущественные части в пространство ядра. На архитектуре гибкого ядра построены последние операционные системы от Windows, в том числе и Windows 7-10.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *