Tại sao Kernel lại được cho là “trái tim” và “cốt lõi” của hệ điều hành?

Mọi hệ điều hành – cho dù đó là Windows, Mac, Linux hay Android, đều có một chương trình cốt lõi gọi là Kernel, hoạt động như một “ông trùm”, đối với toàn bộ hệ thống. Vậy nó hoạt động như thế nào? Để giải đáp điều này thì hãy xem ngay bài viết dưới đây của SEMTEK nhé!

Tìm hiểu Kernel và vai trò của nó trong hệ điều hành

1. Kernel là gì?

Bất cứ khi nào một hệ thống khởi động. Kernel là chương trình đầu tiên được tải sau boot loader vì nó phải xử lý phần còn lại của hệ thống cho Hệ điều hành. Kernel vẫn còn trong bộ nhớ cho đến khi Hệ điều hành bị tắt.

Kernel chịu trách nhiệm cho các tác vụ cấp thấp. Như quản lý đĩa, quản lý bộ nhớ, quản lý tác vụ, v.v. Nó cung cấp giao diện giữa người dùng và các thành phần phần cứng của hệ thống. Khi một tiến trình thực hiện một yêu cầu tới Kernel, thì nó được gọi là System Call.

Một Kernel Space được bảo vệ là một vùng bộ nhớ riêng biệt. Và khu vực này không thể truy cập được bởi các chương trình ứng dụng khác. Vì vậy, code của Kernel được tải vào Kernel Space được bảo vệ này. Ngoài ra, bộ nhớ được sử dụng bởi các ứng dụng khác được gọi là User Space. Vì đây là hai không gian khác nhau trong bộ nhớ, nên giao tiếp giữa chúng chậm hơn một chút.

2. Chức năng

Một số chức năng chính:

• Truy cập tài nguyên máy tính: Có thể truy cập các tài nguyên máy tính khác nhau. Như CPU, thiết bị I/O và các tài nguyên khác. Nó hoạt động như một cầu nối giữa người dùng và tài nguyên của hệ thống.
• Quản lý tài nguyên: Nhiệm vụ của Kernel là chia sẻ tài nguyên giữa các process khác nhau.
• Quản lý bộ nhớ: Mỗi process cần một số không gian bộ nhớ. Vì vậy, bộ nhớ phải được phân bổ và truy cập để hoạt động. Tất cả những tác vụ quản lý bộ nhớ này được thực hiện bởi Kernel.
• Quản lý thiết bị: Các thiết bị ngoại vi được kết nối trong hệ thống được sử dụng bởi các process. Vì vậy, việc phân bổ các thiết bị này được quản lý bởi Kernel.

3. Bảo mật và Bảo vệ

Kernel cũng bảo vệ phần cứng. Nếu không có bảo vệ, bất kỳ chương trình nào cũng có thể thực hiện bất kỳ tác vụ nào trên máy tính, dẫn tới làm hỏng máy tính của bạn, làm hỏng dữ liệu…

Trong các máy tính hiện đại, bảo mật được thực hiện ở cấp độ phần cứng. Ví dụ: Windows sẽ không tải driver từ nguồn không đáng tin cậy và được chứng nhận bằng chữ ký. Secure Boot và Trusted Boot là những ví dụ cổ điển.

• Khởi động an toàn (Secure Boot): Đây là một tiêu chuẩn bảo mật được phát triển bởi các thành viên của ngành công nghiệp máy tính PC. Nó giúp bạn bảo vệ hệ thống của mình khỏi các chương trình độc hại, bằng cách không cho phép bất kỳ ứng dụng trái phép nào chạy trong quá trình khởi động hệ thống. Tính năng này đảm bảo rằng máy tính của bạn khởi động chỉ sử dụng phần mềm được nhà sản xuất máy tính tin cậy.

Vì vậy, bất cứ khi nào máy tính của bạn khởi động, firmware sẽ kiểm tra chữ ký của từng phần mềm khởi động, bao gồm firmware driver (ROM tùy chọn) và hệ điều hành. Nếu các chữ ký được xác minh, máy tính sẽ khởi động và firmware sẽ kiểm soát hệ điều hành.

• Khởi động đáng tin cậy (Trusted Boot): Nó sử dụng Mô-đun nền tảng tin cậy ảo (VTPM) để xác minh chữ ký số của Kernel Windows 10 trước khi tải. Đổi lại, nó xác nhận mọi thành phần khác của quy trình khởi động Windows, bao gồm driver khởi động, tập tin khởi động và ELAM. Nếu một tập tin đã bị thay đổi hoặc thay đổi ở bất kỳ mức độ nào, bộ nạp khởi động sẽ phát hiện ra nó và từ chối tải nó, bằng cách nhận ra nó là thành phần bị hỏng. Nói tóm lại, nó cung cấp một chuỗi tin cậy cho tất cả các yếu tố trong khi khởi động.

4. Kernel Mode và User Mode

Có một số lệnh nhất định chỉ nên thực thi bằng Kernel. Vì vậy, CPU chỉ thực hiện các lệnh này trong Kernel Mode. Ví dụ, quản lý bộ nhớ chỉ nên được thực hiện trong Kernel Mode. Khi ở Chế độ người dùng, CPU sẽ thực thi các process do người dùng đưa ra trong User space.

Các loại Kernel

Kernel cũng có thể nói chuyện với phần cứng trên một đường dây an toàn. Vì vậy, các công ty đã phát triển Kernel có thể nói chuyện với phần cứng của họ thông qua một bộ nút. Lấy máy giặt làm ví dụ. Tùy thuộc vào các nút bạn di chuyển và thời gian bạn đặt – một mức Kernel cơ bản là đủ. Điều đó để nói rằng, Kernel tự phát triển phức tạp theo thời gian, dẫn đến các loại Kernel khác nhau.

Nói chung, có năm loại Kernel. Hãy cùng tìm hiểu xem đó là các loại nào và tính năng nổi bật của chúng.

1. Monolithic Kernels

Đây là những Kernel mà các user service và kernel service được triển khai trong cùng một không gian bộ nhớ, tức là bộ nhớ khác nhau cho các user service, và kernel service không được sử dụng trong trường hợp này.

Bằng cách đó, kích thước của Kernel được tăng lên và điều này sẽ làm tăng kích thước của Hệ điều hành. Vì không có User space và Kernel space riêng biệt, nên việc thực thi process sẽ nhanh hơn trong Monolithic Kernels.

Ưu điểm:

• Nó cung cấp CPU Scheduler, Memory Scheduler, File Management thông qua System Call.
• Việc thực thi process diễn ra nhanh chóng vì không có không gian bộ nhớ riêng cho User và Kernel.

Nhược điểm:

• Nếu bất kỳ dịch vụ nào thất bại, thì nó sẽ dẫn đến lỗi hệ thống.
• Nếu các dịch vụ mới được thêm vào thì toàn bộ Hệ điều hành cần được sửa đổi.

2. Microkernel

Một Microkernel khác với kernel Monolithic vì trong Microkernel, các dịch vụ người dùng và dịch vụ kernel được triển khai vào các không gian khác nhau. Vì sử dụng riêng User space và Kernel space, do đó, nó làm giảm kích thước của Kernel và do đó, làm giảm kích thước của Hệ điều hành.

Vì chúng tôi đang sử dụng các không gian khác nhau cho các user service và kernel service, do đó việc liên lạc giữa ứng dụng và dịch vụ được thực hiện với sự trợ giúp của IPC và điều này sẽ làm giảm tốc độ thực hiện.

Ưu điểm:

• Nếu các dịch vụ mới được thêm vào thì có thể dễ dàng thêm vào.

Nhược điểm:

• Vì chúng ta đang sử dụng User space và Kernel space riêng biệt, do đó, giao tiếp giữa chúng có thể giảm thời gian thực hiện chung.

3. Hybrid Kernel

Đây là loại chúng ta thấy nhiều nhất – Microsoft Windows, Apple MacOS. Chúng là sự pha trộn giữa Kernel nguyên khối và vi mô. Nó di chuyển trình điều khiển nhưng giữ các dịch vụ hệ thống bên trong chương trình – tương tự như cách driver được tải khi Windows bắt đầu quá trình khởi động.

4. Nanokernel

Trong một Nanokrnel, như tên cho thấy, toàn bộ mã của kernel rất nhỏ, tức là mã thực thi trong chế độ đặc quyền của phần cứng là rất nhỏ.

5. Exokernel

Đây là một nhân hệ điều hành được phát triển bởi song song MIT và nhóm Hệ điều hành phân tán. Ở loại này, việc bảo vệ tài nguyên được tách ra khỏi quản lý và do đó, điều này dẫn đến việc cho phép chúng ta thực hiện các tùy chỉnh dành riêng cho ứng dụng.

Lời kết

Tất cả các hệ điều hành đa nhiệm đều có một Kernel dưới dạng này hay dạng khác. Nó là một chức năng cốt lõi để quản lý các tài nguyên của hệ thống, bao gồm bộ nhớ, các tiến trình và các trình điều khiển khác nhau. Phần còn lại của hệ điều hành, có thể là Windows, OS X, iOS, Android hay bất cứ thứ gì đều được đặt ở phía bên trên của kernel.

Có rất nhiều thứ để nói về khái niệm này, hơn cả những gì được đề cập ở đây. Khi bạn tìm hiểu sâu hơn, định nghĩa của khái niệm này sẽ rộng hơn và sâu sắc hơn. Chúng tôi hy vọng bài viết dễ hiểu và giúp bạn vượt qua những điều cơ bản.

Liên hệ với SEMTEK để tháo nút thắt cho website của bạn bằng giải pháp về Marketing!

SEMTEK Co,.LTD

🏡 Địa chỉ: 2N Cư Xá Phú Lâm D, Phường 10, Quận 6, TP.HCM
📧 Email: info@semtek.com.vn
☎️ Hotline: (+84)098.300.9285

Tìm kiếm lên quan

• Corn kernel là gì
• What is kernel

Nội dung liên quan

• Core value là gì và tầm quan trọng của nó
• Competitive Advantage là gì? Doanh nghiệp dựa vào đâu để tạo lợi thế cạnh tranh?
• Data driven là gì? Hướng đi nào cho mảng Marketing của các doanh nghiệp