OSカーネルとは何ですか？

1. 序章

オペレーティングシステム（OS）カーネルは、コンピューターサイエンスにおける挑戦的なトピックの1つです。

このチュートリアルでは、 OSカーネルとはを簡単に定義し、その目的に関する情報を提供します。

カーネルは、オペレーティングシステムの最も重要な部分です。これは、ハードウェアとコンピューターのプロセスの間のプライマリインターフェイスです。カーネルは、リソースを可能な限り効果的に調整するために、これら2つを接続します。

ハードシェル内のシードのように、OS内で動作するため、カーネルと呼ばれます。 次の図は、OS内での位置を示しています。タブレット、デスクトップ、サーバー、その他の種類のデバイスなど、ハードウェアのすべての主要機能を制御します。

カーネルは、ブートローダーの前にメモリにロードされた初期プログラムの1つです。ブートローダーは、中央処理装置の命令を変換する役割を果たします。メモリだけでなく、キーボードやモニターなどの周辺機器も管理します。

カーネルには、プロセスとメモリの管理、ディスクストレージ、低レベルのネットワーキングなど、いくつかの重要な仕事があります。カーネルの主な目的は次のように要約できます。

開発者がカーネルを適切に実装している場合、それはユーザーの目には見えません。 カーネルスペースと呼ばれる独自の領域で動作します。メモリを割り当て、すべてがカーネルスペースのどこに格納されているかを監視します。

ユーザースペースは、ユーザーがファイルとWebブラウザーを表示する環境です。これらのプログラムは、システムコールインターフェイスを使用してカーネルと通信します。

カーネルがマシンのどこに収まるかを視覚化しようとすると、マシンは3つのレイヤーを持っていると考えることができます。

ユーザープロセス：ユーザープロセスは実際にユーザースペースを作成します。ただし、これらのプロセスは、カーネルが制御するアプリケーションです。カーネルは、これらのプロセスが相互に通信できるようにします。プロセス間通信（IPC）メカニズムを使用して、プロセス間の通信を可能にします。

カーネル：ご覧のとおり、レイヤーの真ん中にあります。 これはOSのコアです。

ハードウェア：これは物理マシンであり、システムのベースです。これは、メモリ、プロセッサまたは中央処理装置（CPU）、およびグラフィックス、ストレージ、ネットワーキングなどの入出力（I / O）コンポーネントで構成されています。 CPUは計算を実行し、メモリの読み取りと書き込みを行います。

システムがCPU上で実行するコードには、カーネルモードとユーザーモードの2つのモードがあります。コードがカーネルモードで実行されている間、ハードウェアに無制限にアクセスできます。ただし、コードがユーザーモードで実行されている場合、CPUとメモリへのアクセスは制限されます。

これらの2つのモードは、いくつかの重要で複雑な操作を提供します。たとえば、セキュリティのための特権分離に役立ちます。実際、これは、プロセスがユーザーモードで失敗した場合、カーネルモードがエラーを最小限に抑え、プロセスを回復できることを意味します。

モノリシックカーネル、マイクロカーネル、エキソカーネル、ハイブリッドカーネル、ナノカーネルなど、非常に多くのカーネルタイプがあります。モノリシックカーネルとマイクロカーネルの主な違いは、システムコールとそのカーネルスペースに関連しています。

たとえば、ほとんどのUnixカーネルはモノリシックです。各カーネル層はカーネルプログラム全体に統合され、カーネルモードで実行されます。一方、マイクロカーネルオペレーティングシステムは、IPCメカニズムや基本的なスケジューラなどの少数のカーネル機能のみを必要とします。

この記事では、OSでのカーネルの定義について説明しました。次に、その目的について簡単に説明しました。その後、カーネルがマシンのどこに収まるかを視覚化し、いくつかのカーネルタイプをリストしました。