Kernel (0)

Tallinna Polütehnikum 
 
 
 
 
 
 
REFERAAT 
Kernel  ehk tuum 
 
 
 
 
Henri Muldre 
KPE-12 
 
 
 
 
 
Tallinn 2012 
Sisukord 
1. 
Sissejuhatus ..................................................................................................................................... 3 
2. 
Kerneli põhilised rajatised ............................................................................................................... 5 
2.1. 
Protsessihaldus  ........................................................................................................................ 5 
2.2. 
Mäluhaldus .............................................................................................................................. 6 
2.3. 
Monoliitne kernel .................................................................................................................... 8 
2.4. 
Mikrokernel ............................................................................................................................. 9 
3. 
Kasutatud kirjandus ....................................................................................................................... 10 
 
 
 
1.  Sissejuhatus 
Ressursijaotust ja muid põhifunktsioone hõlmav opsüsteemi  keskne  osa ehk südamik. Termini 
"kernel" sünonüümiks on "nucleus", mis tähendab samuti tuuma. Tuuma  vastandiks  on kest, 
mis  on  opsüsteemi  kõige  välimine  osa  ja 
suhtleb kasutaja poolt 
antavate käskudega. 
Arvuti 
käivitamisel laaditakse 
kernel 
kõigepealt põhimällu spetsiaalselt 
selleks 
ettenähtud  kohta.  Kernelile  reserveeritud 
mälupiirkond  on  kaitstud,  nii  et  sinna  pole 
võimalik  midagi  muud  salvestada.  Kuna 
kernel 
jääb 
põhimällu 
kuni 
arvuti 
väljalülitamiseni,  siis  peab  ta  olema 
võimalikult  väike,  kuid  samal  ajal  suutma 
Kernel ühendab raksendustarkvara arvuti riistvaraga.
teenindada  opsüsteemi  kõiki  ülejäänud  osi 
 
ja rakendusprogramme.  Tüüpiline  kernel  vastutab  mäluhalduse  ( memory    management ), 
protsessi-  ja  tegumijuhtimise  ( process   and   task   management)  ning  kõvaketta  halduse  (disk 
management) eest. 
Arvutustehnikas,  kernel  on  peamine   komponent   enamus  arvuti  operatsioonisüsteemidel;  see 
on  sillaks  rakendusete  ja  tegeliku  andmetöötluse  vahel,  mida  tehakse   riistvara   tasemel. 
Kerneli  kohustuste  hulka  kuuluvad  süsteemi  ressursside   haldamine   (suhtlus  riistvara  ja 
tarkvara   vahel).  Tavaliselt,  kernel,  kui  põhiline  osa  operatsioonisüsteemist,  võib  pakkuda 
madalaima  taseme  abstraktrioonikihti  ressursside  jaoks  (eriti  protsessorid  ja  I/O   seadmed ), 
mida   rakenduse   tarkvara  peab  juhtima  tema  ülesannete  täitmiseks.  Tavaliselt  tehakse  need 
andmed  kättesaadavaks  taotluse  protsessidele  muude  protsesside  sidemehhanismide  ja 
süsteemi kõnede kaudu. 
Operatsioonisüsteem  ülesanded  on  tehtud  erinevalt  eri  kernelitel,  sõltuvalt  nende 
kavandamisest 
ja 
rakendamisest. 
Kui 
monoliitsed  
tuumad 
jooksutavad 
kõik 
operatsioonisüsteemi  koodid  samal  aadressi   ruumil ,  et  suurendada  süsteemi  tulemuslikkust, 
siis microkernelid jooksutavad enamus operatsioonisüsteemide teenuseid kasutaja ruumis, kui 
serveritena,  eesmärgiga  parandada  operatsioonisüsteemi  hooldatavust    ja  moodulaarsust. 
Nende kahe äärmuse vahel eksisteerib erinevaid võimalusi. 
Selleks,  et  kaitsta  OS'i  kasutajarakenduste  eest  on  OS'is  kasutusel  erinevad  protsessori 
režiimid  kernelile  ehk kernelirežiim (Kernel  Mode  või  Supervisor  Mode)  ja 
kasutajarakendustele  ehk kasutajarežiim  ( User   Mode).  Kasutajarakendused  töötavad 
kasutajarežiimis  ja  OS'irakendused  (süsteemi  teenused  ja  seadmete   draiverid )  töötavad 
kernelirežiimis.  Selles  režiimis   rakendused   jagavad  ühtset  virtuaalset  aadressiruumi. 
Kernelirežiim käivitatakse protsessori privilegeeritud käivitusrežiimis, mis tagab juurdepääsu 
kõigile  protsessori  käskudele  ja  kogu  süsteemimälule.  Erinevate  töörežiimide  rakendamine 
võimaldab välistada, et vigane kasutajarakendus ohustaks süsteemi kui terviku stabiilsust. 
Tavaliselt sisaldab tuum järgmisi osi: 
  katkestusetöötleja, mis töötleb kõiki katkestusnõudeid ja omavahel tuuma teenuste 
pärast võistlevaid sisend -väljundoperatsioone 
  plaanur, mis määrab kindlaks selle, millised programmid ja mis järjekorras jagavad 
omavahel tuuma tööaega 
  superviisor, mis tegelikult korraldab kerneli tööd. 
On  olemas  ka  selliseid  tuumi,  mida  saab  kasutada  suvalises  opsüsteemis,  näiteks   Carnegie  
Mellon   University ’s  loodud  Mach .  Viimane  on   muuhulgas   kasutusel   Apple ’i  PowerMac’ile 
mõeldud Linuxi opsüsteemis  
Tuuma  ei  maksa  segi  ajada BIOS’iga  ( Basic   Input/Output  System) ,  mis  istub  kogu 
aeg püsimälus. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.  Kerneli põhilised rajatised 
Kerneli  primaarne  funktsioon  on  juhtida  arvuti   resursse   ja  lubada  teistel  programmidel 
jooksutada ja kasutada teisi resursse. Tüüpiliselt ressursid koosnevad: 
1.  CPU  (Central  Processing   Unit ).  See  on  kõige  kesksem  osa  operatsioonisüsteemis, 
ning  on   vastutav   teiste  programmide  jooksutamisest  ja  käivitamisest.  Kernel  võtab 
endale  kohustuseks  otsustamaks  igal  ajal,  milla  jooksvad  programmid  paigutatakse 
protsessorile või protsessoritele. 
2.  Arvuti  mälu.  Mälu  kasutatakse,  et  säilitada  nii  juhiseid  kui  andmeid.  Tüüpiliselt 
mõlemad vajavad mälu olemasolu, et programmi käivitada. Tihti mitmed programmid 
juurdepääsu mälule. 
3.  Igasugused  Sisend/Väljund  (inglise  k.  Input/Output,  I/O)  seadmed  eksisteerivad 
arvutis  nagu   klaviatuur ,   hiir ,  kettaseadmed,  USB  seadmed,  printerid,  võrguadaptrid 
jne. Kernel eraldab taotlusi rakendustelt, et teha I/O korrektsesse seadmesse ja pakub 
mugavad meetodid seadmete  kasutamisel  
2.1.  Protsessihaldus 
Kerneli  peamine  ülesanne  on  rakenduste  käivitamine  ja  toetada  neid  funktsioonidega  nagu 
riistvara  abstraktsioonid.  Protsess  määrab  ära,  missugustele  mälukogustele   rakendus   pääseb 
ligi. 
Iga ülesanne, mis arvutis käivitatakse, koosneb ühest või mitmest protsessist. Igale protsessile 
eraldab  operatsioonisüsteem  ressursid  (mälu,  protsessori  aja  ja  muud).  Protsessid  on 
paralleelsed ja kulgevad erineva kiirusega. Kuigi tavaliselt on operatsioonisüsteemi käsutuses 
üks  protsessor , arvuti interpreteerib samaaegselt mitut protsessi, tehes pidevaid ümberlülitusi 
protsesside vahel. 
Igal protsessil on numbriline identifikaator PID, mis eraldab teda teistest protsessidest ja 
programmifail , mis sisaldab masinkoodis programmi. See fail (käsud) loetakse protsessi 
käivitumisel põhimalle. 
Protsessid võivad käivitada oma töös uusi protsesse, mis on selle protsessi alamprotsessid 
ja sulgeda neid. Protsessid, mis kuuluvad ühele ülesandele on sõltuvas protsessid. 
Protsessid võivad olla operatsioonisüsteemi omad või rakendusprogrammide protsessid. 
 
 
Protsess käib läbi järgmistest olekutest: 
  Uus (new) – protsessi loomine 
  Töötab ( running ) – programmi käske täidetakse 
  Ootab ( waiting )– protsess ootab mingi sündmuse taga 
  Valmis ( ready ) – protsess ootab, et talle protsessori aega antaks 
  Lõpp (terminated) – protsess jõudis tööga lõpule 
 
Protsessi olekudiagramm. 
Operatsioonisüsteem  ise  koosneb  samuti  protsessidest,  kuid  enamus  neid  on  suure 
prioriteediga. Kui arvuti näiliselt seisab, täidab ta protsessi PID 0 System Idle Protsess. 
2.2.  Mäluhaldus 
Mälu  koosneb  suurest  hulgast  baitidest  ning  on  tavaliselt  grupeeritud  1,  2,  4  või  8  kaupa. 
Protsessor  loeb  mälust  programmi  käske  vastavalt  programmi  loenduri  poolt  näidatud 
asukohale.  Osad   nendest   käskudest  võivad  põhjustada  uusi  mälust  lugemisi  või  sinna 
kirjutamisi. 
 
Käsutsükkel koosneb järgmistest sammudest:  
  Käsu mälust lugemine ning dekodeerimine 
  Operandide mälust laadimine (vajadusel) 
  Käsu käivitamine 
  Tulemuste salvestamine mällu (vajadusel) 
Programmi võib vaadelda binaarse koodjadana, mis tavaliselt asub kettal. Käivitamiseks tuleb 
programm  mällu   laadida .  Mällulaadimist  ootavate  programmide  jada  nimetatakse 
sisendjärjekorraks  (input  queue).  Kui  programm  lõpetab,  vabastatakse  tema  käes  olnud 
mälupiirkonnad. 
 
Suurem osa süsteeme lubavad  programme  laadida enamvähem suvalisse mälupiirkonda. Osa 
mälupiirkondadest on OS käes (näiteks alumised aadressid alates 000000-st) ja sinna kasutaja-
programme laadida ei tohi. Programmi loomisel tuleb moodustada side tema eri osade vahel 
(funktsioonid, moodulid jne). Kuna programmile antav mälupiirkond ei pruugi kattuda varem 
valmis genereeritud aadressidega, siis tuleb neid kuidagi modifitseerida ja siduda. 
 
Kui  koodi  kompileerimise  ajal  on  teada  tema  tulevane  asukoht  mälus,  võib  genereerida 
absoluutse  koodi  (seda  kasutasid  MS-DOS  .com  programmid).  Laadimise  ajal  saab  siduda 
programmi  ja  reaalse  mälu  omavahel  spetsiaalse  tabeli  kaudu  (relocation  table)  ja  saame 
nihutatava koodi.  Sidumise  võib jätta ka koodi täitmise etapile juhul, kui programmi võib töö 
ajal  mälus  ümber  paigutada  (seda  moodust  kasutavad  enamus  üldkasutatavaid  OS-e).  Kui 
koodi kompileerimise ajal on teada tema tulevane asukoht mälus, võib genereerida absoluutse 
koodi (seda kasutasid MS-DOS .com programmid). Laadimise ajal saab siduda programmi ja 
reaalse mälu omavahel spetsiaalse tabeli kaudu (relocation table) ja saame nihutatava koodi. 
Sidumise võib jätta ka koodi täitmise etapile juhul, kui programmi võib töö ajal mälus ümber 
paigutada (seda moodust kasutavad enamus üldkasutatavaid OS-e). 
 
Virtuaalmälu lubab töötavatel protsessidel olla mälus vaid  
osaliselt – mingi osa on kuhugi välja tõstetud. 
Miks võib osa olla välja tõstetud? 
  Programmid võivad sisaldada  erandlike situatsioone töötlevat koodi,  
mida on vaja väga harva. 
  Massiivid, nimekirjad, tabelid jms sarnased luuakse   teatava  varuga  
ning nad pole kuigi tihti ääreni täis. 
  Osa programmi funkstionaalusest pole kogu aeg kasutusel 
 
Tänu  virtuaalmälule  saame  kasutada  programme  mis  nõuavad  rohkem  mälu  kui  reaalselt 
arvutis olemas on. 
2.3.  Monoliitne kernel 
Monoliitses  kernelis  kõik  operatsioonisüsteemid 
jooksevad  peamise  kerneli   keermes ,  samas  jääde 
samasse   mälu  alasse.  Selline  lähenemine  pakub 
rikast  ja  võimsat  riistvara  ligipääsu.  Mõningad 
arendajad   nagu   UNIX 'i  arendaja  Ken   Thompson  
väidab,  et  on  lihtsam  täita  monoliitne  kerlen,  kui 
mikrokernel.  Peamine  puudujääk  monoliitsel 
kernelil   on  tema  sõltuvus  süsteemi  komponentide 
vahel. 
Monoliitsed  kernelid,  mida  on  traditsionaalselt 
kasutatud UNIX'i  taolistes operatsioonisüsteemides, 
sisaldavad 
kõikide 
operatsioonisüsteemide 
põhifunktsioonid ning deadmete draiverid. 
Monoliitse tuuma diagramm. 
 
Monoliit tuumal ei ole ereti palju  eeliseid : 
  Ei  ole  võimalik  laadida  erinevaid   viirus -mooduleid  häkkerite  pooolt.  Näiteks,   adore , 
väga  ohtlik  interneti-uss  ( worm ),  mis  on  järgmiste  viiruste  kompilatsioon  - 
Linux.Ramen ja Linux. Lion . 
  Draiver on alati valmis töötamiseks ning ei nõua aega tema lisa allalaadimiseks. 
 
 
 
 
 
 
 
2.4.  Mikrokernel 
Microkernel  on  termin,  mis  kirjeldab  lähenemist  operatsioonisüsteemi  disainile,  mille 
süsteemi  funktsionaalsust  liigutatakse  välja  traditsioonilisest  "kernelist",  hulgaks  "serverid", 
mis  suhtlevad  läbi  "minimaalse"  tuuma, 
jättes  nii  vähe  kui  võimalik  "süsteem 
ruumi"  ja  nii  palju  kui  võimalik  "kasutaja 
ruumi".  Microkernel,  mis  on  mõeldud 
konkreetsele   platvormile   või  seadmele 
ainult  teeb  seda,  kus  ta  vajab  tegemist. 
Microkerneli 
lähenemisviis 
seisneb 
määratlemisel  lihtne  abstraktiooni  üle 
riistvara,  koos  primitiivide  komplektiga 
või 
süsteemi 
kõned 
rakendada 
minimaalsed  OS  teenused  nagu  mälu 
haldamine,  multitegumtöötlus  ja  muu 
protsessi  side.  Muud  teenused,  sealhulgas 
tavaliselt   pakutud   kerneli  poolt,  nagu 
võrgud,  rakendatakse  kasutaja  kosmoseprogrammidesse,  nimetatakse  serveriteks. 
Mikrokerneleid  on  lihtsam   hooldada   kui  monoliitseid  kerneleid,  kuid  suur  hulk  süsteemi 
kõnesid  ja konteksti lülitid  võivad aeglustada süsteemi, sest  nad tavaliselt tekitavad rohkem 
üldkulusid kui tavaline funktsioon nõuab. 
 
 
 
3.  Kasutatud kirjandus 
Kernel (computing). (2012). Allikas: Wikipedia:  http://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_(computing)  
Muldre, H. (2012). Konspekt. 
Mäluhalduse slaidid. (kuupäev puudub). Allikas: 
http://www.pld.ttu.ee/~priidu/courses/os/OS2003/OS2003%20-%20Memory%20Slides.pdf 
Op süsteemi ehitus. (2012). Allikas:  http://puhang.tpt.edu.ee/materjalid/Op -
systeem/tunnimaterjalid/OP-SYSTEEMI_EHITUS_ja_protssid.pdf 
Operatsioonisüsteemid. (2012). Allikas:  http://www.e-uni.ee/e -
kursused /eucip/haldus/2_operatsioonissteemid.html 
Protsessihaldus. (kuupäev puudub). Allikas:  http://www.cs.ut.ee/~mroos/os/loeng9-2x2.pdf 
Protsessihalduse slaidid. (kuupäev puudub). Allikas: 
http://www.pld.ttu.ee/~priidu/courses/os/OS2003/OS2003%20-%20Processes%20Slides.pdf