Microkernel

Un microkernel ( eng.  microkernel ) sau μ-kernel ( eng.  μ‑kernel ) este un nucleu de sistem de operare care implementează un set minim de funcții.

Dispozitiv

Lucrul cu microkernel-ul se desfășoară în același mod ca și cu nucleul monolitic  prin apeluri de sistem .

Microkernel-urile oferă doar un set mic de primitive/mecanisme/servicii de nivel scăzut pentru:

• gestionarea memoriei fizice și virtuale a computerului (alocarea memoriei proceselor , asigurarea izolării/protecției acesteia);
• managementul timpului procesorului (servicii pentru lucrul cu fire de execuție (threads) ale proceselor ( vezi planificatorul de fire ); 
• controlul accesului la dispozitivele I/O (deschiderea/închiderea accesului la porturile I/O și MMIO-memoria dispozitivelor);
• comunicare și sincronizare a proceselor ( de exemplu,  comunicații între procese , IPC) (încălcare controlată și controlată a izolării memoriei de proces pentru a organiza schimbul de date).

Alte primitive/funcții/componente/servicii/module, de exemplu:

• drivere de dispozitiv ;
• implementari de sisteme de fisiere ;
• stive TCP/IP , USB etc.

rulează în spațiul utilizatorului ca procese separate , interacționează cu nucleul folosind apeluri de sistem , comunică între ele folosind IPC . Într -un sistem de operare kernel monolitic , aceste componente rulează în spațiul kernel ca fire de nucleu .

Pe procesoarele cu arhitectură x86 se folosește așa-numita protecție inel . Procesele din spațiul utilizatorului operează pe al treilea inel ( inelul 3 ) și nu pot efectua unele acțiuni disponibile pe inelul zero ( inelul 0 ) . O eroare într-un proces din spațiul utilizatorului va duce, în cel mai rău caz, la terminarea procesului.   

Avantaje și dezavantaje

Avantajele unui sistem de operare construit pe un microkernel față de un sistem de operare construit pe un nucleu monolitic :

• ușurință de implementare (nucleul și componentele implementează funcționalități bine definite, astfel încât dimensiunea codului lor este mică);
• ușurință de depanare (componentele sunt procese obișnuite , deci pot fi depanate folosind instrumente create pentru procesele de depanare);
• securitate garantată (un cod mic poate fi verificat pentru corectitudinea manual sau automat - folosind raționamentul matematic);
• fiabilitate (într-un sistem de operare cu arhitectură microkernel, o eroare la una dintre componente va duce la finalizarea procesului componentei ; într-un sistem de operare cu un nucleu monolitic , o defecțiune a componentei va duce la o defecțiune a sistemului de operare );
• modularitate (într-un sistem de operare microkernel , un număr mai mare de componente poate fi pornit și oprit după cum este necesar; de exemplu, pentru a remedia o eroare, puteți face modificări la codul componentei , puteți compila o nouă componentă, o opriți pe cea veche și porniți noua unu).

Dezavantajele unui sistem de operare construit pe un microkernel în comparație cu un sistem de operare construit pe un nucleu monolitic :

• performanță mai scăzută (datorită supraîncărcării IPC ).

Pentru ca un sistem de operare microkernel să fie la fel de rapid ca un sistem de operare construit pe un nucleu monolitic, este necesar să proiectați cu atenție împărțirea sistemului în componente și să încercați să minimizați interacțiunea dintre ele. Astfel, principala dificultate în crearea sistemelor de operare microkernel este necesitatea unui design foarte atent.

Generații

Microkernel-urile sunt împărțite în mod convențional în generații. Microkernelurile din diferite generații diferă în design și soluții tehnologice.

Prima generație

• Microkernel -ul Mach de la Universitatea Carnegie Mellon (CMU) .
• Microkernel OS ChorusOS de la Institutul INRIA .

A doua generație

• Microkernel de la Minix OS de Andrew Tanenbaum ( Universitatea Liberă din Amsterdam ).
• L3 de Jochen Liedtke .
• L4/x86 de Jochen Liedtke .

A treia generație

• seL4 de la NICTA .
• Coyotos ( în engleză ) de la The EROS Group, LLC.
• NOVA [1] .

Istorie

Microkernel-urile precum nucleul Minix OS și GNU Hurd sunt mult mai lent de dezvoltat decât Linux și nucleul din familia BSD . Potrivit creatorului Minix 3 , Andrew Tanenbaum , el încearcă să „construiască un sistem ultra-fiabil care poate fi folosit și pe servere care necesită ani de funcționare” [2] .

Exemplul clasic de sistem de operare microkernel este Symbian OS . Acesta este un exemplu de sistem de operare microkernel comun și bine stabilit (începând cu Symbian OS v8.1 și nanokernel ).

Creatorii Symbian OS au reușit să combine eficiența și armonia conceptuală, în ciuda faptului că versiunile moderne ale acestui sistem oferă caracteristici extinse, inclusiv instrumente pentru lucrul cu date în flux, stive de protocoale care sunt esențiale pentru latența kernelului, grafică și video de înaltă definiție. Dezvoltatorii Symbian au mutat aproape toate sarcinile aplicate (adică, dincolo de competența nucleului) în module de server care operează în spațiul de adrese al utilizatorului.

În Windows NT versiunile 3.x, a fost utilizată o arhitectură microkernel cu un proces de service pentru subsistemul grafică și interfață cu utilizatorul. În special, driverul hardware grafic a fost încărcat în contextul procesului de serviciu, nu în nucleu. Începând cu versiunea 4, aceasta a fost abandonată, procesul de service a fost păstrat doar pentru gestionarea ferestrelor consolei din linia de comandă, iar subsistemul grafic însuși, împreună cu driverul hardware (inclusiv grafica tridimensională), s-a mutat într-o regiune special izolată a Nucleul sistemului de operare .

Sistemul de operare Windows CE (și se bazează pe acesta, cum ar fi Windows Mobile ), deși este aproape complet compatibil (ca subset) cu Windows NT în ceea ce privește apelurile și metodele de programare a aplicațiilor, diferă totuși complet de Windows NT în arhitectura internă și este un OS microkernel cu eliminarea tuturor driverelor de dispozitiv, a stivelor de rețea și a subsistemului grafic în procesele de serviciu.

Dezavantajul este costul forțării unei „comutații” de procese în kernel ( schimbarea contextului ); acest fapt explică de fapt dificultățile în proiectarea și scrierea nucleelor ​​unui astfel de design. Aceste deficiențe sunt capabile să ocolească sistemele de operare care utilizează arhitectura exokernel , care este o dezvoltare ulterioară a arhitecturii microkernel.

Vezi și

• Nanonucleu
• Exokernel
• miez hibrid
• Microkernel (sau μ-kernel)
• Miez monolitic

• QNX
• AIX [?! Sistem UNIX bazat pe un nucleu monolitic]
• osFree
• Genode OS Framework
• Mac OS X [nucleu hibrid cu fragmente de nucleu Mach]
• Amiga OS
• OpenVMS [?! nucleu monolitic cu module]
• Integritate
• Amibă
• Minix
• redox

Note

1. ↑ Project Nova Arhivat 24 iunie 2015 la Wayback Machine . Site-ul oficial.
2. ↑ Interviu pentru comunitatea de limbă rusă a dezvoltatorilor și utilizatorilor OS MINIX 3 . Consultat la 17 mai 2010. Arhivat din original la 19 septembrie 2010. (nedefinit)

Link -uri

• Interviu cu Andrew Tanenbaum .