Was ist ein Kernel und wie funktioniert es?

Was ist der Kernel?

Im Zentrum jedes Betriebssystems steht der Kernel, eine grundlegende Software, die als Mediator zwischen Anwendungssoftware und Hardwarekomponenten Ihres Computers fungiert.Es ist verantwortlich für die Verwaltung der Hardware des Computers (CPU, RAM, Speicher usw.) und diktiert, wie und wann diese verschiedenen Ressourcen in laufenden und ruhenden Anwendungen verwendet werden.

Stellen Sie sich beispielsweise vor, Sie beitreten an einer Konferenzanruf auf Ihrem Computer und verwenden eine App wie Zoom oder Google Meet.Beim Öffnen wird die Anwendung den Kernel auffordert, auf die Kamera und das Mikrofon Ihres Computers zuzugreifen.Der Kernel verarbeitet die Anfrage, indem die erforderliche Hardware auf Ihrem Computer aktiviert wird.Es wird auch den Computer anweisen, eine bestimmte Menge an CPU -Ressourcen zuzuweisen, um eine reibungslose Verbindung aufrechtzuerhalten.

Kernelfunktionen

Die Kernfunktion des Kernels besteht darin, sicherzustellen, dass Software und Hardware effektiv kommunizieren.

Hier ist eine Aufschlüsselung einiger Kernfunktionen des Kernels, mit denen Sie Ihren Computer reibungslos verlaufen können

Resourcenmanagement

Der Kernel ermöglicht es Anwendungen, Hardware -Ressourcen zu teilen und für eine bestimmte Aufgabe (Prozess) zu orchestrieren, wann und wie viel von einer bestimmten Hardware -Ressource erforderlich ist.

• CPU: Der Kernel kann verschiedene Prozesse planen, um die CPU so zu verwenden, dass alles reibungslos und effizient läuft.
• Erinnerung: Der Kernel verteilt jedem Prozess nach Bedarf Platz, um zu verfolgen, was verwendet wird und was kostenlos ist, und tauscht die Dinge nach Bedarf ein und aus.
• E/A -Geräteverwaltung: Wenn Sie Ihre Tastatur, Maus oder andere Geräte verwenden, verwaltet der Kernel diese Interaktionen, sodass die Daten reibungslos zwischen Hardware und Software fließen.

Prozessmanagement

Der Kernel kümmert sich um alle Aspekte des Prozessmanagements, einschließlich des Erstellens neuer Prozesse, der Planung beim Ausführen und der Reinigung, sobald sie fertig sind.Es stellt sicher, dass jeder Prozess über die Ressourcen verfügt, die er benötigt, um sie vor einem gegenseitigen Eingriff zu schützen.

Speicherverwaltung

Der Kernel überwacht sowohl das physische als auch das virtuelle Gedächtnis und sorgt dafür, dass jeder Prozess genügend Platz zum Arbeiten hat.Es verwendet Techniken wie Paging (fest) und Segmentierung (Variable), um alles organisiert und effizient zu halten.

Systemdateiverwaltung

Der Kernel organisiert, wie Daten auf der Festplatte oder SSD Ihres Computers gespeichert werden, indem sichergestellt wird, dass Ihre Dateien schnell und sicher gespeichert und abgerufen werden.

Gerätetreiber

Gerätetreiber sind wie Übersetzer für verschiedene Hardwarekomponenten (Drucker, Grafikkarten usw.).Der Kernel kommuniziert mit diesen Treibern, um die Verwendung von Geräten zu kontrollieren und zu koordinieren.

Sicherheit und Schutz

Der Kernel erzwingt die Zugriffskontrolle und Berechtigungen, um das System vor nicht autorisierten Zugang zu schützen.Es isoliert Prozesse voneinander und verhindern, dass bösartiger Code andere Teile des Systems beeinflusst.

Arten von Kerneln

Es gibt verschiedene Arten von Kerneln, die jeweils ein eigenes Design und Ansatz zur Verwaltung der Ressourcen Ihres Computers haben.Erkunden wir die Haupttypen von Kerneln und was jedes einzelne zu etwas Besonderem macht:

Monolithischer Kernel

Stellen Sie sich einen monolithischen Kernel als ein großes All-in-One-Paket vor.Es enthält nicht nur die Kernfunktionen des Betriebssystems, sondern auch Geräte -Treiber, Dateisystemverwaltung und andere Systemdienste.

Alles läuft in einem einzelnen Kernelraum, was zu hoher Leistung und Effizienz führen kann.

Beispiele: Linux und ältere Versionen von UNIX.

Mikrokernel

Mikrokernel verfolgen einen minimalistischen Ansatz.Sie übernehmen nur die wichtigsten Funktionen, wie die Kommunikation zwischen Hardware und Software und delegieren Sie andere Aufgaben (wie Geräte-Treiber), um Benutzermodusprozesse zu trennen.

Dieses Design kann zu einer verbesserten Stabilität und Modularität führen, wodurch das Isolieren und Reparieren von Systemproblemen erleichtert wird.

Beispiele: Mach (verwendet in macOS x) und QNX.

Nanokernel

Nanokernel sind noch kleiner und leichter als Mikrokernel.Sie zielen darauf ab, nur das absolute minimale Minimum an Aufgaben zu erledigen, z.

Diese Art von Kernel ist für spezielle Anwendungen wie eingebettete Systeme oder IoT -Geräte ausgelegt, bei denen Einfachheit und minimale Ressourcenverwendung der Schlüssel sind.

Hybridkern

Ein Hybridkern ist eine Mischung aus monolithischen und microkernel -Designs, die darauf abzielen, das Beste aus beiden Welten zu nutzen.

Es hält einige der Leistungsvorteile des monolithischen Kernels jedoch mit mehr Modularität wie einem Mikrokernel.

Beispiele: Windows NT und MacOS (seit Version X).

Exokernel

Exokernel verfolgen einen anderen Ansatz, indem sie der Hardware eine sehr niedrige Schnittstelle zur Verfügung stellen und mehr Kontrolle über Ressourcen bieten.Dieser OS -Kernel ermöglicht eine stärkere Anpassungs- und potenzielle Leistungssteigerungen, kann jedoch komplex zu verwalten sein.

Gerätetreiber

Geräte -Treiber sind Softwarekomponenten, mit denen der Kernel des Betriebssystems mit Hardware -Geräten innerhalb und außerhalb des Computers kommunizieren kann.

Es gibt 3 Haupttypen von Gerätetreibern, die Ihr Betriebssystem verwendet:

Charakter -Geräte -Treiber

Diese Treiber sind dafür verantwortlich, Geräte zu verwalten, die Datencharakter nach Charakter übertragen, einschließlich Tastaturen, Mäusen, seriellen Anschlüssen und Terminals.Sie verarbeiten in der Regel Eingangs- und Ausgangsvorgänge auf Charakterbasis, ohne große Datenmengen zu puffern.Beispiele hierfür sind Tastaturtreiber zum Interpretieren von Tastenanschlägen und Maus -Treiber für die Verfolgung von Cursorbewegungen.

Blockentreiber blockieren

Block-Geräte-Treiber überwachen Geräte, die Daten in Blöcken oder Sektoren fester Größe speichern und abrufen, z. B. Festplatten, Solid-State-Laufwerke (SSDs) und USB-Speichergeräte.Sie verarbeiten Daten in Stücken und ermöglichen ein effizientes Lesen und Schreiben großer Datenmengen.Block -Geräte -Treiber sind mit der Verwaltung von Speichergeräten beauftragt, einschließlich Partitionierung, Formatierung und Handhabung von Lese- und Schreibanforderungen.

Network -Geräte -Treiber

Die Treiber für Netzwerkgeräte sind für die Steuerung von NICS (Network Interface Cards) und anderen Netzwerkhardware verantwortlich, was die Kommunikation über ein Netzwerk erleichtert.Diese Treiber verwalten die Übertragung und Rezeption von Datenpaketen und implementieren Netzwerkprotokolle wie TCP/IP.Sie verarbeiten auch Netzwerkkonfiguration, Paketrouting und Datenübertragung.

Kernel -Modus vs. Benutzermodus

Der Benutzermodus und der Kernel -Modus sind zwei unterschiedliche Geräte -Treiberzustände innerhalb des Betriebssystems.

Schauen wir uns an, was jeder Modus ist und warum sie für die Sicherheit und Stabilität Ihres Computers von Bedeutung sind.

Kernelmodus

Der Kernel -Modus ist ein privilegierter Zustand, in dem die Kernkomponenten des Betriebssystems arbeiten.In diesem Modus verfügt der Kernel über einen uneingeschränkten Zugriff auf Hardware -Ressourcen und kann kritische Systemaufgaben wie das Verwalten von Speicher, das Steuern von Hardwaregeräten und das Handhabungssystem -Interrupts ausführen.Es ist wie das Kontrollzentrum Ihres Computers, in dem wesentliche Vorgänge effizient und sicher durchgeführt werden, um die reibungslose Funktionsweise des Betriebssystems zu gewährleisten.

Da Software uneingeschränkten Zugriff auf sensible Systemressourcen hat, erfordert der Ausführen im Kernel -Modus ein hohes Maß an Vertrauen.Daher arbeiten nur vertrauenswürdige Komponenten des Betriebssystems, wie der Kernel selbst und Gerätefahrer, im Kernel -Modus, um die Systemintegrität aufrechtzuerhalten.

Benutzermodus

Der Benutzermodus ist eine eingeschränkte Umgebung, in der die meisten Anwendungen wie Browser und Textverarbeitungsprogramme ausgeführt werden.In diesem Modus arbeitet die Software innerhalb von Grenzen, die vom Betriebssystem festgelegt werden, ohne direkten Zugriff auf Hardware oder kritische Systemressourcen.Es soll eine sichere und stabile Umgebung für Anwendungen bieten, um unabhängig zu arbeiten, ohne sich gegenseitig oder die Kernfunktionen des Betriebssystems zu stören.

Kernelsicherheit

Der Kernel enthält verschiedene Sicherheitsmaßnahmen, um das System vor potenziellen Bedrohungen zu schützen.

Hier sind einige Möglichkeiten, wie der Kernel eine sichere Umgebung aufrechtzuerhalten und potenzielle Schwachstellen abmildern kann:

Zugangskontrolle: Der Kernel erzwingt die Richtlinien zur Zugriffskontrolle, indem sie Benutzern und Prozessen Berechtigungen zuweist, z. B. Berechtigungen lesen, schreiben und ausführen.Es überprüft den Zugriffsanfragen gegen diese Berechtigungen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Unternehmen zugreifen können.

Berechtigungen: Der Kernel setzt Berechtigungen durch, indem er die Zugriffsrechte des anforderten Unternehmens mit den mit der Ressource verbundenen Berechtigungen überprüft.Dies hilft, den nicht autorisierten Zugriff und den Missbrauch von Systemressourcen zu verhindern.

Sandboxing: Der Kernel implementiert Sandboxing -Techniken wie Prozessisolierung, Namespace -Trennung und Privilegentrennung, um sichere Ausführungsumgebungen für Anwendungen zu erstellen.Dies verhindert, dass sie auf systemkritische Ressourcen zugreifen oder diese ändern.