Kernel

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

Kernel de um sistema operacional é entendido como o núcleo deste ou, numa tradução literal, cerne. Ele representa a camada mais baixa de interface com o Hardware, sendo responsável por gerenciar os recursos do sistema computacional como um todo. É no kernel que estão definidas funções para operação com periféricos (mouse, discos, impressoras, interface serial/interface paralela), gerenciamento de memória, entre outros. Resumidamente, o kernel é um conjunto de programas que fornece para os programas de usuário (aplicativos) uma interface para utilizar os recursos do sistema.

Quanto à sua arquitetura, o kernel pode ser monolítico — em um único bloco, com todas as funcionalidades carregadas na memória —, ou modular — com os módulos específicos para cada tarefa carregados opcionalmente, dinamicamente.

O kernel é a parte mais importante do sistema operacional, pois, sem ele, a cada programa novo que se criasse seria necessário que o programador se preocupasse em escrever as funções de entrada/saída, de impressão, entre outras, em baixo nível, causando uma duplicação de trabalho e uma perda enorme de tempo. Como o kernel já fornece a interface para que os programas possam acessar os recursos do sistema de um nível mais alto e de forma transparente, fica resolvido o problema da duplicação do trabalho.

Quando há periféricos ou elementos de um sistema computacional que o kernel não cobre, então se faz necessário escrever a interface para eles, os chamados drivers. Geralmente, os kernels oferecem uma função para se executar chamadas de sistema, como por exemplo a ioctl() do Linux. Valendo-se dessa função, podem-se escrever rotinas para qualquer periférico.

[editar] Responsabilidades do kernel

A responsabilidades do kernel consistem, genericamente, em abstrair interfaces de hardware diversas e gerir os recursos do computador, permitindo que os programas vulgares utilizem estes recursos concorrentemente de forma segura e padronizada, fornecendo a estes uma interface unificada para os diversos componentes do sistema computacional.

Em um computador, a parte central é a CPU: o dispositivo que "executa" os diferentes programas. A memória RAM é o outro recurso crucial do computador: o conjunto de chips onde os programas são carregados para execução e onde são armazenados os seus dados de acesso rápido ^[1]. Estes são os principais recursos que o kernel gere e divide entre as aplicações.

O kernel deve também gerir a entrada e saída, de modo a assegurar que apenas um programa acede a determinado dispositivo a dada altura. Finalmente, o kernel deve disponibilizar aos programas ordinários, executados em espaço do usuário, uma interface uniforme para aceder aos seus serviços.

[editar] Gerenciamento de processos

A principal tarefa do kernel de um sistema operacional (SO) é permitir a execução de aplicações e dar suporte a elas através de níveis de abstração sobre o hardware. Para executar uma aplicação, o kernel precisa carregar na memória o arquivo que contém o código da aplicação (e eventualmente inicializar o seu próprio espaço de endereçamento), inicializar a pilha de execução do programa e assim iniciar a sua execução.

Um kernel multitarefa é preparado para dar ao usuário a ilusão que o número de processos em execução simultânea no computador é maior que o número máximo de processos que o computador é capaz de executar simultaneamente. Tipicamente, o número de processos que um sistema pode executar simultanemamente é igual ao número de CPUs instaladas.

Em um sistema multitarefa, o kernel dá a cada programa uma fatia do tempo e alterna de processo para processo tão rapidamente que o usuário pensa que estes processos são executados simultaneamente. O kernel utiliza algoritmos de agendamento para determinar qual processo será executado na sequência e quanto tempo ele terá, ele também considera que um processo pode ter uma prioridade maior em relação aos outros. O kernel deve disponibilizar aos processos um modo para que se comuniquem; isto é conhecido como Inter-Process Communication e é obtido através de pipes, memória compartilhada e/ou interrupções de software.

O sistema operacional, normalmente, deve suportar multiprocessamento (SMP ou NUMA). Neste caso, programas diferentes e threads de programas podem ser executados em diferentes processadores. Para que um kernel suporte este tipo de sistema, ele deve ser amplamente modificado para ser "re-entrante" e "interruptível", o que significa que ele pode ser interrompido no meio da execução de uma tarefa. Se esta funcionalidade estiver presente, os programas executados ao mesmo tempo em processadores diferentes podem chamar o kernel de maneira segura. O kernel também deve disponibilizar um modo de sincronizar o acesso à memória em processadores diferentes, fazendo com que o gerenciamento de memória e de processos sejam tópicos altamente relacionados.

[editar] Gerenciamento de memória

O kernel tem acesso completo à memória do sistema e deve permitir que os programas do espaço do usuário tenham acesso seguro à memória quando o requisitam. O primeiro passo para permitir esta funcionalidade é o endereçamento virtual, usualmente obtido através da paginação ou segmentação. O endereçamento virtual permite ao kernel fazer com que um dado endereço apareça como outro, o endereço virtual. Isto permite ao programa acreditar que ele é o único em execução (com exceção do kernel) e assim previne que as aplicações colidam umas com as outras.

Um endereço virtual de um programa pode ser uma referência a dados que não estão na memória RAM. O nível de abstração disponibilizado pela memória virtual permite ao sistema operacional o uso de outros repositórios de dados, como discos rígidos, para armazenar aquilo que, de outra forma, seria armazenado na memória principal do sistema. Como resultado, os sistemas operacionais permitem que um programa utilize mais memória que aquela disponível fisicamente no sistema. Quando um programa necessita de dados que não estão na memória naquele momento, o SO escreve no disco os dados encontrados em uma porção de memória não utilizada e a substituí com os dados que o programa requisitou (lê do disco).

Além disso, o endereçamento virtual permite a criação de partições virtuais da memória, na forma de duas áreas separadas, uma reservada para o kernel (espaço do kernel) e outra para as aplicações (espaço do usuário).

[editar] Gerenciamento de dispositivo

Para realizar algum trabalho real, o SO precisa acessar os periféricos conectados ao computador, que são controlados por drivers de dispositivo disponibilizados por desenvolvedores e/ou fabricantes deste dispositivo (hardware). Por exemplo, para mostrar algo na tela, o kernel delega o trabalho ao driver de monitor (VGA ou VESA) que fica responsável por mostrar os caracteres.

Inicialmente, um gerenciador de dispositivo realiza uma busca nos diferentes barramentos existentes (como PCI ou USB) para descobrir dispositivos instalados, e então procura pelos drivers apropriados. Como o gerenciamento de dispositivo é um assunto especificamente de sistemas operacionais, estes drivers são manipulados de maneira diferente em cada projeto de kernel, mas em todos os casos, o kernel deve disponibilizar a I/O para permitir que estes drivers acessem fisicamente os dispositivos através de alguma porta ou locação de memória. Decisões muito importantes devem ser tomadas em um projeto de um sistema de gerenciamento de dispositivos, já que todo acesso envolve trocas de contexto, fazendo com que esta operação utilize a CPU muito intensamente, causando possíveis problemas de desempenho.

[editar] Chamadas de sistema

Ver artigo principal: Chamadas de sistema.

Para que seja possível realizar algum trabalho útil, um programa no espaço do usuário deve ter acesso a todos os serviços disponibilizados pelo kernel. Esta implementação é diferente em cada kernel, mas deve disponibilizar uma API ao programa, que por sua vez invoca as funções do kernel relacionadas, seja através do sistema de IPC, memória compartilhada ou interrupções.

[editar] Abordagens de projeto de kernel

[editar] Kernel monolítico

Diagrama de interação de um kernel monolítico (ou mono-bloco).

Kernel monolítico ou mono-bloco é um kernel que implementa uma interface de alto nível para possibilitar chamadas de sistema específicas para gestão de processos, concorrência e gestão de memória por parte de módulos dedicados que são executados com privilégios especiais. Alguns exemplos deste tipo de kernel:

BSD
Linux
MS-DOS e derivados, incluindo Windows 95, Windows 98 e Windows ME
Solaris

[editar] Micro-kernel

Diagrama de interacção de um micro-kernel.

Micro-kernel é um termo usado para caracterizar o sistema cujas funcionalidades do sistema saíram do kernel e foram para servidores, que se comunicam com um núcleo mínimo, usando o mínimo possível o "espaço do sistema" (nesse local o programa tem acesso a todas as instruções e a todo o hardware) e deixando o máximo de recursos rodando no "espaço do usuário" (no espaço do usuário, o software sofre algumas restrições, não podendo acessar alguns hardwares, nem tem acesso a todas as instruções).

Hurd
Minix

[editar] Kernel híbrido

Diagrama de interacção de um kernel híbrido.

Kernel híbrido define um kernel baseado em microkernel no qual módulos externos a ele podem executar operações em modo kernel (protegido), a fim de evitar trocas de contexto e melhorar o desempenho geral do sistema.