Что пользователям следует знать о ядре системы Windows

Если мы хотим узнать больше деталей о работе операционной системы Windows, типичные системные функции, доступные для пользователя далеко нас не приведут. Они предлагают остаточное количество информации о процессах, протекающих в фоновом режиме.

Мы должны заглянуть ещё глубже – в архитектуру Windows. Там, глубоко под цветным интерфейсом пользователя, находится, так называемое, ядро (англ. kernel). Без него использование операционной системы будет практически невозможно. От его существования и действий зависит практически всё.

Что делает ядро Windows

Все популярные операционные системы являются чрезвычайно сложными. Для того, чтобы всё могло работать, нужен единый центр контроля и управления, то есть ядро. Оно состоит из очень многих строк кода, составляющих основные функции системы, работающие в фоновом режиме.

Для примера, код Windows Vista включает в себя более 50 миллионов строк. В Windows 7, в результате оптимизации кода, их число сократилось до «всегою 40 миллионов.

Работая каждый день в Windows невозможно понять сложность ядра. Оно действует в фоновом режиме и отвечает, среди прочего, за взаимодействие между внутренними компонентами ПК, а также внешними устройствами.

Ядро контролирует программы, которые работают, позволяет использовать файловые системы для хранения данных и исключает возможные конфликты доступа. Последние возникают, например, когда при высокой нагрузке компьютера много программ одновременно хочет сохранять данные на жестком диске. В этом случае программам определяются приоритеты и они ждут своей очереди.

Начиная с Windows Vista за правильную работу с мультимедиа отвечает служба под названием Multimedia Class Scheduler Service (MMCSS). Мы можем управлять её параметрами с помощью панели управления службами. Используйте сочетание клавиш Win + R и в окне Запуск программы введите команду services.msc, а затем нажмите Enter .

Multimedia Class Scheduler заботится о том, чтобы мультимедийные приложения всегда имели в распоряжении соответствующие ресурсы процессора. Если аудио или видео файл воспроизводится с помехами, рекомендуется в панели управления службами дважды щелкнуть на службе MMSCS (Планировщик классов мультимедиа), проверить тип запуска и, возможно, изменить его на Автоматический.

Ядро на страже безопасности системы

Помимо безопасной работы системы, ядро Windows заботится о безопасности. Он делает это с помощью различных решений, таких как, например, режимы user и kernel, проверка подписи драйверов, а также механизм ASLR (Address Space Layout Randomization).

Программы, работающие в режиме пользователя, имеют ограниченные полномочия. Речь идет, среди прочего, об отсутствии прямого доступа для аппаратному слою. Его, в свою очередь, используют драйверы, которые напрямую должны взаимодействовать с различными компонентами компьютера. Это именно они работают в режиме kernel. Они выполняют свои задачи намного быстрее, но подвержены большей опасности.

Здесь в действие вступают тесты базы данных драйверов, которые проверяют файл установки, например, драйвера графической карты, его достоверность и отсутствие подозрительного кода. В 64-разрядной версии Windows установка драйверов, которые не прошли успешную проверку, по умолчанию отключена.

В свою очередь, упомянутая ранее защитная функция ASLR присваивает случайные адреса данным в оперативной памяти и предотвращает использование уязвимостей в системе безопасности через вредоносное программное обеспечение.

ХЭЛ – посредник между ядром и оборудованием

Неразрывно с ядром Windows связан, так называемый, слой абстрагирования оборудования (англ. HAL – Hardware Abstraction Layer).

В сущности, речь идет об универсальном наборе инструкций, обеспечивающим обмен информацией между системой и различными аппаратными компонентами. Благодаря этому разработчики Windows не вынуждены каждый раз настраивать код для другой аппаратной конфигурации пользователя. Достаточно, чтобы компьютер выполнял требования, а об остальном позаботится ХЭЛ.

Мы должны, однако, помнить, что замена основных компонентов компьютера, такого как материнская плата, повлечет за собой необходимость переустановки Windows.

Ядро операционной системы

Ядро́ (kernel) — центральная часть операционной системы (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.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Содержание

Типы архитектур ядер операционных систем [ править | править код ]

Монолитное ядро [ править | править код ]

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

• Достоинства: Незначительно выше скорость работы, упрощённая разработка модулей.
• Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: Традиционные ядра UNIX (такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

Монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требуют перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро [ править | править код ]

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Микроядро [ править | править код ]

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственное микроядро, а также разработки таких расширений.

• Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.
• Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.

• Сервисные процессы (в принятой в семействе UNIX терминологии — «демоны») активно используются в самых различных ОС для задач типа запуска программ по расписанию (UNIX и Windows NT), ведения журналов событий (UNIX и Windows NT), централизованной проверки паролей и хранения пароля текущего интерактивного пользователя в специально ограниченной области памяти (Windows NT). Тем не менее, не следует считать ОС микроядерными только из-за использований такой архитектуры.

Экзоядро [ править | править код ]

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро [ править | править код ]

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.

Гибридное ядро [ править | править код ]

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Windows семейства NT.

Комбинация разных подходов [ править | править код ]

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов.

Смешанное ядро, в принципе, должно объединять преимущества монолитного ядра и микроядра: казалось бы, микроядро и монолитное ядро — крайности, а смешанное — золотая середина. В них возможно добавлять драйверы устройств двумя способами: и внутрь ядра, и в пользовательское пространство.

Ядро операционной системы

• определениеядро операционной системы
• архитектура и типы ядер операционной системы
• ядро операционной системы WINDOWS

Ядро операционной системы определение

Ядро (kernel) это центральная и главная часть операционной системы которая обеспечивает архитектуру связи с приложениями, организует и регулирует доступ к ресурсам компьютера. Дополнительно, но не как правило предоставляет доступ к сетевым протоколам и к файловой системе. На картинке ниже я покажу как схематично работает ядро операционной системы и другие структуры внутри ОС

Посмотрите внимательно на эту схему, на ней видно что ядро операционной системы, взаимодействует с приложениями пользователя, будь то любое программное обеспечение (перечислять все возможные программы мы не будем), с утилитами и с системными обрабатывающими программами. Обратите внимание что из всех изображенных элементов только библиотеки процедур не взаимодействуют напрямую, а являются «переправой» для взаимодействия пользователя с ядром.

архитектура и типы ядер операционной системы

Классическая архитектура ядра очень сильно зависит от того какой тип ядра представлен в операционной системе. Типов ядер операционной системы бывает очень много и все различаются лишь по размеру и доступным функциям кроме базовых.

Монолитное ядро

монолитное ядро операционной системы представляет богатый выбор абстракций. все части или лучше сказать элементы находятся в одном адресном пространстве и представляют собой единый «Монолит». Все элементы которые были представлены выше на картинке спокойно взаимодействуют между собой и сообщаются. Это самое старое воплощение ядра в ОС.

Недостаток:

Обладает достаточно значимым минусом что при отказе работы одного элемента перестает работать всё ядро операционной системы и следовательно ОС.

Преимущества:

Из положительного момента — быстрая разработка и внедрение новых модулей а также скорость работы такого ядра. всё таки унификация всех элементов берет своё

Примеры ОС построенных на таких ядрах :LINUX, Unix, ms-dos

Модульное ядро

Модульное уже более современная реализация типа работы ядра операционной системы . Модульное ядро в отличие от монолитного, бывает двух видов статичное и динамическое. Статичное работает как и монолитное, все изменения только после перезапуска, а динамическая заключается в следующем — при разработке
ядра операционной системы не нужно перезагружать всю систему, а только ту часть которая подверглась каким либо изменениям. Для пользователя это выражается в том что после установки, например драйвера для новой видеокарты не нужно перезагружать систему, после установки перезагрузится только тот модуль что работает с этим новым драйвером, как говориться на лету.

Микроядро

Микроядро работает по принципу всё что сложнее элементарных функций — выноситься за пределы его работы. Наибольшая часть работы выполняется с помощью сервисов или по другому пользовательских процессов.

драйверы и модули, всё находиться в серверных процессах. Чтобы было понятно взгляните на картинку

Самые главные преимущества то что при любой сбой системы или например обновление ядра, не может нанести ущерба и это можно делать раздельно. Также намного проще позволяет добавлять новые элементы не прерывая работы системы.

Недостатки: увеличенное потребление ресурсов.

Из самых популярных операционных систем которое используют это
ядро операционной системы это MAC OS X.

Экзоядро

Экзоядро представляет всего лишь самые базовые функция взаимодействия между процессами, выгрузка и загрузка памяти и других ресурсов. То есть устроенно это ядро таким образом — ядро операционной системы не взаимодействует с программным обеспечением напрямую, а только через специальные библиотеки которые предоставляют API. Является оптимальным решениям для некоторого вида приложений которые должны очень быстро работать.

Ядро операционной системы WINDOWS

Вы спросите а к какому типу архитектуры тогда относиться операционная система windows?

относиться она к гибридному типу включая в себя как и микроядро так и монолитное
ядро операционной системы