Jądro jest centralnym elementem systemu operacyjnego, który zarządza operacjami komputera i sprzętu. Zasadniczo zarządza operacjami pamięci i czasem procesora. Jest to podstawowy element systemu operacyjnego. Jądro pełni rolę pomostu pomiędzy aplikacjami a przetwarzaniem danych realizowanym na poziomie sprzętowym z wykorzystaniem komunikacji międzyprocesowej i wywołań systemowych.

Jądro ładuje się najpierw do pamięci po załadowaniu systemu operacyjnego i pozostaje w pamięci do momentu ponownego zamknięcia systemu operacyjnego. Jest odpowiedzialny za różne zadania, takie jak zarządzanie dyskami, zarządzanie zadaniami i zarządzanie pamięcią.

Jądro posiada tabelę procesów, która śledzi wszystkie aktywne procesy
• Tabela procesów zawiera tabelę obszarów procesów, której wejście wskazuje wpisy w tabeli obszarów.

Jądro ładuje plik wykonywalny do pamięci podczas wywołania systemowego „exec”.

Decyduje, który proces powinien zostać przydzielony procesorowi do wykonania, a który proces powinien być przechowywany w pamięci głównej do wykonania. Zasadniczo działa jako interfejs między aplikacjami użytkownika a sprzętem. Głównym celem jądra jest zarządzanie komunikacją pomiędzy oprogramowaniem, tj. aplikacjami na poziomie użytkownika, a sprzętem, tj. procesorem i pamięcią dyskową.

Cele jądra:

• Aby nawiązać komunikację pomiędzy aplikacją na poziomie użytkownika a sprzętem.
• Decydowanie o stanie przychodzących procesów.
• Aby kontrolować zarządzanie dyskami.
• Aby kontrolować zarządzanie pamięcią.
• Aby kontrolować zarządzanie zadaniami.

Rodzaje jądra:

1. Jądro monolityczne –

Jest to jeden z typów jądra, w którym wszystkie usługi systemu operacyjnego działają w przestrzeni jądra. Posiada zależności pomiędzy komponentami systemu. Ma ogromne linie kodu, który jest złożony.

Przykład:

Unix, Linux, Open VMS, XTS-400 etc.>

Korzyść:
1. Wydajność: Jądra monolityczne są na ogół szybsze niż jądra innych typów, ponieważ nie muszą przełączać się między trybami użytkownika i jądra przy każdym wywołaniu systemowym, co może powodować obciążenie.

2. Ścisła integracja: Ponieważ wszystkie usługi systemu operacyjnego działają w przestrzeni jądra, mogą się ze sobą efektywniej komunikować, co ułatwia wdrażanie złożonych funkcjonalności i optymalizacji.

3. Prostota: Jądra monolityczne są prostsze w projektowaniu, wdrażaniu i debugowaniu niż jądra innych typów, ponieważ mają ujednoliconą strukturę, która ułatwia zarządzanie kodem.

4. Mniejsze opóźnienie: Jądra monolityczne mają mniejsze opóźnienia niż jądra innych typów, ponieważ wywołania systemowe i przerwania mogą być obsługiwane bezpośrednio przez jądro.

Niekorzyść:

1. Problemy ze stabilnością: Jądra monolityczne mogą być mniej stabilne niż jądra innych typów, ponieważ każdy błąd lub luka w zabezpieczeniach usługi jądra może mieć wpływ na cały system.

2. Luki w zabezpieczeniach: Ponieważ wszystkie usługi systemu operacyjnego działają w przestrzeni jądra, każda luka w zabezpieczeniach jednej z usług może zagrozić całemu systemowi.

3. Trudności konserwacyjne: Jądra monolityczne mogą być trudniejsze w utrzymaniu niż jądra innych typów, ponieważ jakakolwiek zmiana w jednej z usług może mieć wpływ na cały system.

4. Ograniczona modułowość: Jądra monolityczne są mniej modułowe niż jądra innych typów, ponieważ wszystkie usługi systemu operacyjnego są ściśle zintegrowane z przestrzenią jądra. Utrudnia to dodawanie lub usuwanie funkcji bez wpływu na cały system.
2. Mikro jądro –
To typy jądra mają minimalistyczne podejście. Posiada pamięć wirtualną i planowanie wątków. Jest bardziej stabilny z mniejszą liczbą usług w przestrzeni jądra. Zapewnia odpoczynek w przestrzeni użytkownika.

Jest używany w małych systemach operacyjnych.

Przykład :

Mach, L4, AmigaOS, Minix, K42 etc.>

Zalety:

1. Niezawodność: Architektura mikrojądra została zaprojektowana tak, aby była bardziej niezawodna niż jądra monolityczne. Ponieważ większość usług systemu operacyjnego działa poza przestrzenią jądra, wszelkie błędy lub luki w zabezpieczeniach usługi nie będą miały wpływu na cały system.

2. Elastyczność : Architektura mikrojądra jest bardziej elastyczna niż jądra monolityczne, ponieważ umożliwia dodawanie lub usuwanie różnych usług systemu operacyjnego bez wpływu na cały system.

3. Modułowość: Architektura mikrojądra jest bardziej modułowa niż jądra monolityczne, ponieważ każda usługa systemu operacyjnego działa niezależnie od pozostałych. Ułatwia to konserwację i debugowanie systemu.

4. Przenośność: Architektura mikrojądra jest bardziej przenośna niż jądra monolityczne, ponieważ większość usług systemu operacyjnego działa poza przestrzenią jądra. Ułatwia to przeniesienie systemu operacyjnego na inną architekturę sprzętową.

jest w Pythonie

Niedogodności:

1. Wydajność: Architektura mikrojądra może być wolniejsza niż jądra monolityczne, ponieważ wymaga większej liczby przełączeń kontekstu między przestrzenią użytkownika a przestrzenią jądra.

2. Złożoność: Architektura mikrojądra może być bardziej złożona niż jądra monolityczne, ponieważ wymaga większej liczby mechanizmów komunikacji i synchronizacji pomiędzy różnymi usługami systemu operacyjnego.

3. Trudność w rozwoju: Tworzenie systemów operacyjnych opartych na architekturze mikrojądra może być trudniejsze niż tworzenie jąder monolitycznych, ponieważ wymaga większej dbałości o szczegóły w projektowaniu mechanizmów komunikacji i synchronizacji pomiędzy różnymi usługami.

4. Wyższe wykorzystanie zasobów: Architektura mikrojądra może wykorzystywać więcej zasobów systemowych, takich jak pamięć i procesor, niż jądra monolityczne, ponieważ wymaga większej liczby mechanizmów komunikacji i synchronizacji pomiędzy różnymi usługami systemu operacyjnego.

3. Jądro hybrydowe –
Jest to połączenie jądra monolitycznego i mikrojądra. Ma szybkość i konstrukcję monolitycznego jądra oraz modułowość i stabilność mikrojądra.

Przykład :

Windows NT, Netware, BeOS etc.>

Zalety:

1. Wydajność: Jądra hybrydowe mogą oferować lepszą wydajność niż mikrojądra, ponieważ zmniejszają liczbę wymaganych przełączeń kontekstu między przestrzenią użytkownika a przestrzenią jądra.

2. Niezawodność: Jądra hybrydowe mogą zapewnić lepszą niezawodność niż jądra monolityczne, ponieważ izolują sterowniki i inne komponenty jądra w oddzielnych domenach ochrony.

3. Elastyczność: Jądra hybrydowe mogą oferować większą elastyczność niż jądra monolityczne, ponieważ umożliwiają dodawanie lub usuwanie różnych usług systemu operacyjnego bez wpływu na cały system.

4. Kompatybilność: Jądra hybrydowe mogą być bardziej kompatybilne niż mikrojądra, ponieważ mogą obsługiwać szerszą gamę sterowników urządzeń.

Niedogodności:

1. Złożoność: Jądra hybrydowe mogą być bardziej złożone niż jądra monolityczne, ponieważ zawierają zarówno komponenty monolityczne, jak i mikrojądro, co może utrudnić projektowanie i wdrażanie.

2. Bezpieczeństwo: Jądra hybrydowe mogą być mniej bezpieczne niż mikrojądra, ponieważ mają większą powierzchnię ataku ze względu na włączenie komponentów monolitycznych.

3. Konserwacja: Jądra hybrydowe mogą być trudniejsze w utrzymaniu niż mikrojądra, ponieważ mają bardziej złożoną konstrukcję i implementację.

4. Wykorzystanie zasobów: Jądra hybrydowe mogą zużywać więcej zasobów systemowych niż mikrojądra, ponieważ zawierają zarówno komponenty monolityczne, jak i mikrojądro.

4. Jądro egzo –
Jest to typ jądra, który kieruje się zasadą „end-to-end”. Ma najmniejszą możliwą abstrakcję sprzętową. Przydziela zasoby fizyczne aplikacjom.

Przykład :

Nemesis, ExOS etc.>

Zalety:

1. Elastyczność: Exokernels oferują najwyższy poziom elastyczności, umożliwiając programistom dostosowywanie i optymalizację systemu operacyjnego pod kątem konkretnych potrzeb aplikacji.

2. Wydajność: Exokkernele zaprojektowano tak, aby zapewniały lepszą wydajność niż tradycyjne jądra, ponieważ eliminują niepotrzebne abstrakcje i umożliwiają aplikacjom bezpośredni dostęp do zasobów sprzętowych.

3. Bezpieczeństwo: Exokernel zapewnia większe bezpieczeństwo niż tradycyjne jądra, ponieważ pozwala na precyzyjną kontrolę nad alokacją zasobów systemowych, takich jak pamięć i czas procesora.

4. Modułowość: Exokkernele są wysoce modułowe, co pozwala na łatwe dodawanie lub usuwanie usług systemu operacyjnego.

Niedogodności:

1. Złożoność: Opracowanie egzokerneli może być bardziej skomplikowane niż jądra tradycyjne, ponieważ wymagają większej dbałości o szczegóły i dokładnego rozważenia alokacji zasobów systemowych.

2. Trudność w rozwoju: Tworzenie aplikacji dla egzojąder może być trudniejsze niż w przypadku tradycyjnych jąder, ponieważ aplikacje muszą być napisane w celu bezpośredniego dostępu do zasobów sprzętowych.

3. Ograniczone wsparcie: Egzokernele są wciąż nową technologią i mogą nie zapewniać takiego samego poziomu wsparcia i zasobów jak tradycyjne jądra.

4. Trudność debugowania: Debugowanie aplikacji i usług systemu operacyjnego na egzokernelach może być trudniejsze niż na tradycyjnych jądrach ze względu na bezpośredni dostęp do zasobów sprzętowych.

5. Jądro Nano –
Jest to typ jądra oferujący abstrakcję sprzętu, ale bez usług systemowych. Micro Kernel również nie ma usług systemowych, dlatego Micro Kernel i Nano Kernel stały się analogiczne.

Przykład :

EROS etc.>

Zalety:

1. Mały rozmiar: Nanojądra są zaprojektowane tak, aby były wyjątkowo małe i zapewniały tylko najważniejsze funkcje potrzebne do uruchomienia systemu. Może to sprawić, że będą bardziej wydajne i szybsze niż inne typy jąder.

2. Wysoka modułowość: Nanojądra są wysoce modułowe, co pozwala na łatwe dodawanie lub usuwanie usług systemu operacyjnego, dzięki czemu są bardziej elastyczne i konfigurowalne niż tradycyjne jądra monolityczne.

3. Bezpieczeństwo: Nanojądra zapewniają większe bezpieczeństwo niż tradycyjne jądra, ponieważ mają mniejszą powierzchnię ataku i zmniejszone ryzyko błędów lub błędów w kodzie.

wyrażenia lambda w Javie

4. Przenośność: Nanojądra zaprojektowano z myślą o dużej przenośności, co pozwala na działanie na szerokiej gamie architektur sprzętowych.

Niedogodności:

1. Ograniczona funkcjonalność: Nanojądra zapewniają jedynie najważniejsze funkcje, przez co nie nadają się do bardziej złożonych zastosowań, wymagających szerszego zakresu usług.

2. Złożoność: Ponieważ nanojądra zapewniają jedynie niezbędną funkcjonalność, ich rozwój i utrzymanie mogą być bardziej skomplikowane niż inne typy jąder.

3. Wydajność: Chociaż nanojądra zaprojektowano z myślą o wydajności, ich minimalistyczne podejście może w pewnych sytuacjach nie zapewniać tego samego poziomu wydajności, co inne typy jąder.

4. Kompatybilność: Ze względu na minimalistyczną konstrukcję nanojądra mogą nie być kompatybilne ze wszystkimi konfiguracjami sprzętu i oprogramowania, co ogranicza ich praktyczne zastosowanie w niektórych kontekstach.