Ядро программного обеспечения что это

Обновлено: 01.06.2024

Системный уровень является переходным. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие других программ компьютера с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы. При подсоединении к компьютеру нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для остальных программ взаимосвязь с устройством. Конкретные программы, предназначенные для взаимодействия с конкретными устройствами, называют драйверами.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря им можно вводить данные в вычислительную систему, руководить ее работой и получать результат в удобной форме. Они являются средствами обеспечения пользовательского интерфейса, от них зависит удобство и производительность работы с компьютером.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера.

Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающих:

· управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера;

· управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными;

· пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд-операций по обработке информации.

Операционная система имеет машинно-зависимое ядро (kernel) – небольшой набор программ, с помощью которых осуществляется более эффективное управление ЭВМ конкретного типа. Наличие ядра операционной системы – это первое условие для возможности практической работы пользователя с вычислительной системой.

Ядро операционной системы выполняет следующие функции:

· управления памятью, процессами ввода-вывода, файловой системой;

· организации взаимодействия и диспетчеризации процессов;

· учета использования ресурсов;

· обработки команд и т.д.

Остальные программы операционной системы стараются делать максимально независимыми от конкретной ЭВМ. Свойство программы, позволяющее переносить её без переделок с одной ЭВМ на другую, называется переносимостью (portability). Если программа является машинно-зависимой, то её переносимость определяется степенью совместимости ЭВМ. Переносимость программ имеет прямое влияние на коммерческие возможности программных продуктов.

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОГРАММНЫЙ ИНТЕРФЕЙСЫ

Для упрощения доступа к ресурсам ЭВМ операционные системы поддерживают пользовательский и программный интерфейсы (рис. 1.2).

Пользовательский интерфейс (user interface) – это набор команд и сервисных услуг, которые упрощают пользователю работу с ЭВМ.

Программный интерфейс (program interface) – это набор процедур, которые упрощают для программиста управление ЭВМ.

1.3.3. ПРОЦЕССОРНОЕ ВРЕМЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ

Для организации многозадачного режима операционная система должна некоторым образом распределять время работы процессора между одновременно работающими программами. Обычно используется так называемый вытесняющий режим многозадачной работы. При вытесняющем режиме каждая программа непрерывно работает в течение строго определённого промежутка времени – кванта времени, по истечении которого процессор переключается на другую программу. Так как квант времени очень небольшой, то при достаточной производительности процессора создаётся иллюзия одновременной работы всех программ.

Одной из главных задач операционной системы является управление памятью. Когда основной памяти не хватает, все данные, которые не используются в данный момент, записываются в особый файл подкачки. Память, представленная файлом подкачки, называется внешней страничной памятью (external page storage). Совокупность основной и внешней страничной памяти называется виртуальной памятью (virtual memory). Однако для программиста виртуальная память выглядит как единое целое, то есть рассматривается как неупорядоченный набор байтов. В этом случае говорят, что используется линейная адресация памяти.

1.3.4. СТРУКТУРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Современные операционные системы, как правило, имеют многоуровневое строение (рис. 1.3).

Непосредственно с аппаратурой работает ядро операционной системы. Ядро (kernel) – это программа или совокупность связанных программ, которые используют аппаратные особенности ЭВМ. Таким образом, ядро является машинно-зависимой частью операционной системы.

Ядро определяет программный интерфейс. На втором уровне находятся стандартные программы операционной системы и оболочка, которые работают с ядром и предоставляют пользовательский интерфейс. Программы второго уровня стараются делать машинно-независимыми. В идеале замена ядра равнозначна замене версии операционной системы.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Ядром операционных систем называется тот их элемент, который всё время находится в оперативной памяти устройства и который выполняет функции управления всей операционной системой, включая драйверы устройств, программы, управляющие ресурсами памяти и тому подобное.

То есть все процессы и операции управляются именно ядром операционной системы. Вместе с тем, ядро это лишь незначительная составляющая кодировки всей операционной системы, но это составляющая работает практически всё время и является наиболее загруженным компонентом операционной системы. Именно поэтому ядро помещается в базовой части памяти, а другие элементы операционной системы пересылаются во внешнюю зону памяти и затем обратно при возникновении такой необходимости.

Основной задачей, выполняемой ядром, считается выполнение программ обработки прерываний. В крупных операционных системах, состоящих из большого числа абонентов, центральный процессор обрабатывает, фактически, непрерывную цепочку требований прерывания программы. И немедленное реагирование на требования прерываний очень важно, так как это обеспечивает полноценную загрузку системных ресурсов и означает оптимальное время реагирования на запросы пользователей, которые работают в режиме диалога.

Во время выполнения программы обслуживания какого-либо прерывания, ядро временно блокирует остальные требования прерываний и возобновляет их только по завершению программы обслуживания действующего прерывания. Если поток требований прерывания очень плотный, то возможно возникновение ситуации, когда ядро заблокирует какие-то прерывания на существенный временной интервал. Это означает отсутствие эффективного реагирования на требования прерываний программы. Чтобы исключить вероятность возникновения такой ситуации, ядро проектируется так, что оно выполняет только минимальную начальную обработку прерывания, а далее отсылает его для дальнейшего обслуживания в соответствующий системный процесс. После этого ядро разрешает поступление следующих запросов на прерывание программы.

Готовые работы на аналогичную тему

Главные задачи, решаемые ядром

Ядро операционной системы включает в свой состав следующие программы, решающие соответствующие задачи:

Программа обработки прерываний.
Программа для формирования и ликвидации различных процессов.
Программа переключения состояний процессов.
Программа, выполняющая диспетчеризацию процессов.
Программа для приостановки и последующей активации процесса.
Программа синхронизации выполняемых процессов и организации обменов данными между ними.
Программа по выполнению ввода и вывода данных.
Программа управления функциями распределения ресурсов памяти.
Программа поддержки файловых систем.
Программа обеспечения вызова и возврата при работе с процедурами.
Программа поддержки операций по учёту работ ЭВМ.

Виды структуры ядра операционной системы

Возможны следующие типы структуры (архитектуры) ядра операционной системы:

Монолитная структура ядра.
Модульная структура ядра.
Микроструктура ядра.
Экзо структура ядра.
Нано структура ядра.
Гибридная структура ядра.
Комбинированная структура ядра.

Монолитное ядро формируется их обширного комплекта абстракций оборудования. Все элементы монолитного ядра работают в едином адресном формате. При такой организации операционной системы все составляющие части её ядра выступают как элементы основной программы, применяют одни и те же системы организации данных и работают друг с другом, используя непосредственный вызов процедуры. Это самый старый метод формирования операционной системы. В качестве примера можно привести UNIX. Достоинством является большая скорость выполнения операций и простота конструирования модулей. Недостатком можно считать работу ядра в едином адресном пространстве, так как неисправность в любом элементе способна блокировать работу всей системы.

Модульное ядро является современной и модифицированной версией структуры монолитного ядра операционной системы. Она отличается от классического монолитного ядра тем, что не требует общей реструктуризации ядра при различных вариациях аппаратной оснастки компьютеров. У модульных ядер есть возможность подгружать различные модули (элементы) ядра, которые поддерживают нужное аппаратное оборудование (как пример, загрузка драйвера), причём подзагрузка модуля возможна как в динамическом режиме, то есть без перезагрузки операционной системы, так и в статике, когда выполняется переконфигурирование системы и её перезагрузка.

Микроядро решает лишь самые простые задачи по управлению процессами и имеет небольшой комплект абстракций оборудования. Основная часть функций выполняется специальными процессами пользователя, которые называются сервисами. Главным признаком микроядра можно считать распределение практически всех драйверов и элементов в процессах сервиса. Часто нет возможности загрузки расширительных модулей в такое микроядро. Достоинством является нечувствительность к аппаратным сбоям, компонентных ошибках системы. Недостатком можно считать тот факт, что пересылка данных между процессами ведёт к накладным расходам.

Экзоядро –это ядро операционной системы, которое предоставляет только возможность взаимного обмена между процессами и надёжного распределения и высвобождения ресурсов.

Наноядро имеет такую структуру, при которой очень простое ядро решает лишь проблему обработки аппаратного прерывания программы, которое генерируют различные блоки компьютера. Когда обработка прерывания, например, при нажатии символа на клавиатуре, завершается, наноядро пересылает результаты программе, которая выше по рангу. При этом пересылка тоже выполняется посредством прерываний.

Гибридное ядро представляет собой модификацию микроядра, которая позволяет ускорить работу системы.

И, наконец, возможен вариант комбинированного применения вышеперечисленных вариантов построения структуры ядра операционной системы.

Вы когда-нибудь задумывались о том, как построены современные процессоры, что такое ядра и на что они влияют? Почему процессор может выполнять сразу несколько операций, что такое многопоточность и как это все работает? Как ЦП позволяет обрабатывать компьютеру одновременно большое количество данных. Итак, давайте разбираться в архитектуре данного устройства.

Общее понятие архитектуры процессора ПК

Под понятием архитектуры процессора подразумеваются важные с точки зрения построения и функциональности особенности чипа, которые связаны как с его программной моделью, так и с физической конструкцией.

Архитектура набора команд (ISA) – это набор инструкций процессора и других его функций (например, система и нумерация регистров или режимы адресации памяти), имеющих программную часть ядра, которые не зависят от внутренней реализации.

В свою очередь, физическое построение системы называется микроархитектурой (uarch). Это детальная реализация программной модели, которая связана с фактическим выполнением операций. Микроархитектура представляет собой конфигурацию, определяющую отдельные элементы, например, логические блоки, а также связи между ними.

Стоит отметить, что ЦП, выполняющие одинаковую программную модель, могут значительно отличаться друг от друга микроархитектурой – например, устройства от фирм AMD и Intel. Современные чипы имеют идентичную программную архитектуру x86, но абсолютно разную микроархитектуру.

Роль количества ядер, их влияние на производительность

Первоначально ЦП имели только одно ядро. Однако на рубеже XX и XXI веков инженеры пришли к выводу, что стоит увеличить их количество. Это должно было позволить получить более высокую вычислительную мощность, а также позволить обрабатывать несколько задач одновременно.

Но для начала стоит разобраться с главным мифом. Принято считать, что чем больше ядер у процессора, тем больше мощности он будет предлагать. Но на практике все не так просто. Реальное влияние на производительность оказывают и другие факторы – например, тактовая частота, объем кэша, архитектура, количество потоков.

Дополнительные ядра означают, что процессор способен одновременно справляться с большим количеством задач. Однако здесь нельзя забывать об одном: несмотря на популяризацию четырех-, шести- или восьмиядерных процессоров, приложения используют один или два потока. Поэтому количество потоков ядра также важно учитывать.

Что такое потоки и на что влияет их количество

Потоки – это виртуальный компонент или код, который разделяет физическое ядро процессора на несколько ядер. Одно ядро имеет до 2 потоков.

Например, если процессор двухъядерный, то он будет иметь 4 потока, а если восьмиядерный – 16 потоков.

Поток создается активным процессом. Каждый раз, когда открывается приложение, оно само создает поток, который будет обрабатывать задачи этого конкретного приложения. Поэтому, чем больше приложений будет открыто, тем больше потоков будет создано.

Потоки создаются операционной системой для выполнения задачи конкретного приложения. Они управляются планировщиком, который является стандартной частью каждой ОС.

Существует один поток (код того ядра, выполняющий вычисления, также известный как основной поток) на ядре, который, когда получает информацию от пользователя, создает другой поток и выделяет ему задачу. Аналогично, если он получает другую инструкцию, он формирует второй поток и выделяет ему задачу, создавая таким образом многопоточность.

Единственный факт, который ограничивает создание потоков, – количество основных потоков, предоставляемых физическим процессором. А их количество зависит от ядер.

Потоки стали жизненно важной частью вычислительной мощности, поскольку они позволяют выполнять несколько задач одновременно. Это повышает производительность компьютера, а также позволяет сделать его способным к многозадачности. Благодаря этой технологии становится возможно просматривать веб-страницы, слушать музыку и скачивать файлы в фоновом режиме одновременно.

Что такое ядро ОС? Типы ядер

Как правило, большинство ядер ОС делятся на три типа:

Микроядро

Микроядро — это ядро, состоящее из нескольких подгружаемых в память по мере надобности независимых модулей, выполняющихся в отдельных адресных пространствах. По сути, в таком варианте исполнения оно не сильно отличается от обычных прикладных программ. К достоинствам данного ядра можно отнести теоретически большую надежность в сравнении с другими архитектурами (в действительности же не всё так радужно и гладко) и его модульность (легкость в подключении дополнительных частей ядра). К минусам микроядерной архитектуры относится то, что ядро, построенное по такой схеме, получается очень медленным (ведь ему нужно постоянно переключаться между отдельными частями).

небольшие требования к используемой памяти;

аппаратное обеспечение сильнее абстрагировано от системы;

аппаратное обеспечение может медленнее реагировать, поскольку драйверы находятся в пользовательском пространстве;

процессы не могут получить доступ к другим процессам без ожидания.

Монолитное ядро

Монолитное ядро — это полная противоположность микроядра, т.к. в памяти компьютера всегда находится весь (или почти весь) код ядра, вследствие чего скорость его работы выше в сравнении с микроядром. Монолитные ядра, как правило, лучше справляются с операциями доступа к оборудованию и многозадачностью, потому что, если программе нужно получить информацию из памяти или другого запущенного процесса, у нее есть прямая линия для доступа к ней, и программе не нужно ждать в очереди, чтобы сделать что-то. Однако такой подход может вызвать серьезные проблемы, потому что, чем больше процессов выполняется на уровне ядра, тем больше вероятность, что в случае непредвиденного поведения они создадут общий сбой вашей системы.

практически прямой доступ программ к оборудованию;

процессам проще взаимодействовать друг с другом;

если ваше устройство поддерживается ядром, никаких дополнительных установок ПО не потребуется;

процессы реагируют быстрее, потому что не требуется ожидания в очереди за процессорным временем.

большой размер ядра;

больший размер занимаемой памяти;

проблемы с безопасностью, т.к. все части работают в пространстве ядра.

Гибридное ядро

Гибридное ядро — это ядро, сочетающее в себе элементы как монолитной, так и микроядерной архитектур. У таких ядер есть возможность выбирать, какие части будут работать в пользовательском пространстве (например, драйверы устройств и система ввода-вывода файловой системы), а какие — в пространстве ядра (вызовы межпроцессного (IPC) и серверного взаимодействий). Но этот подход имеет и некоторые проблемы, унаследованные от микроядерной архитектуры (особенно, по части быстродействия).

разработчик может выбрать, какие программы будут работать в пользовательском пространстве, а какие — в пространстве ядра;

меньший размер в сравнении с монолитным ядром;

гибче в отличие от других ядер.

может страдать от пониженной производительности (как и микроядро);

работа драйверов устройств, как правило, сильнее зависит от производителей оборудования.

Ядро Linux хоть и относится к монолитным ядрам, но оно также заимствует и некоторые идеи из микроядерной архитектуры, что означает, что вся операционная система работает в пространстве ядра, а драйверы устройств (в виде модулей) могут быть легко загружены (или выгружены) прямо во время работы операционной системы.

Где находится ядро Linux?

Каждый раз во время запуска (или перезапуска) системы первым компонентом, который загружается в память компьютера, является ядро Linux.

В системах Debian/Ubuntu файлы присутствующих в системе ядер расположены в каталоге /boot и именуются в виде vmlinuz-[версия_ядра] (выполнив в терминале команду uname-r , мы получим информацию о текущей версии установленного ядра):

В папке /boot вы также найдете и другие очень важные файлы:

img-[версия_ядра] — используется в качестве RAM-диска, в который распаковывается и с которого загружается ядро;

map-[версия_ядра] — используется для управления памятью до полной загрузки ядра;

config-[версия_ядра] — сообщает ядру, какие параметры и модули следует загрузить в образ ядра при его компиляции.

Примечание: Также для сжатия ядра часто применяются алгоритмы LZMA или bzip2, а сами ядра именуются zImage.

Модули ядра Linux

Модули обычно расширяют базовые возможности ядра, связанные с различной работой устройств, файловых систем и системных вызовов. Они, как правило, имеют расширение .ko и обычно хранятся в каталоге /lib/modules:

Версии ядра дистрибутивов Linux

Stable

Stable — это последняя доступная стабильная версия ядра Linux, предназначенная для широкого круга использования. По умолчанию, в большинстве дистрибутивов Linux применяется именно stable-версия ядра. Она регулярно обновляется, и к ней довольно часто выпускаются новые патчи.

Несмотря на то, что исправления безопасности внедряются в LTS-версию так же часто, как и в обычную, она, тем не менее, не дает 100% гарантии отсутствия каких-либо ошибок. Правда, шанс того, что с LTS-версией ядра Linux возникнут какие-то проблемы, немного меньше по сравнению с обычной версией ядра Linux, и поэтому многие предприятия отдают предпочтение именно LTS-релизам.

Примечание: По данным компании Canonical, примерно 95% всех установок Ubuntu являются LTS-релизами.

Hardened

Hardened — это усиленная различными обновлениями безопасности stable-версия ядра Linux. Она умеет блокировать потенциально опасные операции, обеспечивая тем самым эффективную защиту от эксплойтов, нацеленных на использование уязвимостей ядра. Данная версия ядра не так популярна, как другие, из-за того, что несколько медленнее их. Hardened-ядро убивает любой процесс, который покажется ему потенциально опасным. Кроме этого, он не отображает PID процессов, и, следовательно, вы не сможете напрямую обратиться к запущенному исполняемому файлу. Также некоторые программы и функции могут не работать с hardened-ядром.

Zen — версия ядра Linux, ориентированная на повышение производительности и отзывчивости системы. Также говорят, что это лучшее ядро Linux для игр. Zen имеет низкую задержку и высокочастотный планировщик.

Установка/Обновление ядра Linux

Соответственно, из этого можно сделать следующие выводы:

Если вам нужно ядро Linux с правками под какой-то конкретный дистрибутив (например, Debian или Manjaro), то вам нужно скачать ядро из репозитория конкретного дистрибутива с помощью менеджера пакетов.

Есть 2 способа установки/обновления ядра Linux:

Обновление ядра Linux через менеджер пакетов.

На этом уроке мы рассмотрим обновление ядра Linux через менеджер пакетов, а на следующем — самостоятельную установку и конфигурирование ядра Linux.

Обновление ядра Linux через менеджер пакетов

Обычно, вместе с обновлением системы происходит и обновление ядра. Но если вы по каким-либо причинам хотите произвести установку/обновление непосредственно только ядра Linux, то ниже мы рассмотрим данный процесс для нескольких дистрибутивов Linux.

Linux Mint (Debian/Ubuntu)

Для начала сверим текущую установленную версию ядра:

Далее выполним поиск доступных для установки ядер (сгенерированный список может быть очень длинным, поэтому, чтобы хоть как-то ограничить вывод и сделать его постраничным, применим фильтр | more ):

$ sudo apt-cache search linux-image | more

Мой выбор пал на ядро linux-image-4.15.0-1004-oem. Чтобы его установить, нужно выполнить команду:

$ sudo apt-get install linux-image-4.15.0-1004-oem

Останется только перезагрузить систему и убедиться, что новое ядро успешно установилось:

Manjaro (Arch Linux)

В Manjaro используется свой менеджер пакетов — pacman, поэтому его команды будут немного отличаться от команд в других дистрибутивах. Чтобы вывести список доступных для установки ядер, необходимо выполнить:

$ sudo pacman –S linux

В рамке обведен список ядер, которые мы можем установить. Я выбрал пункт №5 (linux510), нажав соответствующую кнопку на цифровой клавиатуре. После этого запустился процесс скачивания необходимых пакетов. Когда всё будет готово, перезагружаем систему и радуемся новому ядру:

Установка ядра Zen (Liquorix)

Liquorix — это отдельный проект ядра, собранный из исходников zen-ядра, но с использованием лучшей конфигурации для повышения производительности системы.

Debian

Скачиваем скрипт, который добавит в систему нужные репозитории:

После чего выполняем всего одну команду, устанавливающую пакеты с новым ядром:

$ sudo apt-get install linux-image-liquorix-amd64 linux-headers-liquorix-amd64

Ubuntu

Установка в Ubuntu происходит практически аналогичным образом. Сначала добавляем репозитории zen-ядра (liquorix):

sudo add-apt-repository ppa:damentz/liquorix && sudo apt-get update

После чего выполняем уже знакомую по прошлому разу команду:

sudo apt-get install linux-image-liquorix-amd64 linux-headers-liquorix-amd64

И теперь перезагружаем систему. Готово!

Manjaro

Сначала установим помощник установки пакетов — yay:

Далее установим необходимые утилиты:

$ sudo pacman –S base-devel

Заходим в каталог yay и производим сборку пакета:

$ cd yay
$ makepkg -si

После этого переходим непосредственно к установке zen-ядра:

$ yay -S linux-zen-git

Стоит отметить, что этот процесс может занять довольно большой отрезок времени. По его окончанию, перезагружаем систему и радуемся новому ядру.

Читайте также: