Qu'est-ce qu'un noyau et comment ça marche?

Qu'est-ce que le noyau?

Au cœur de chaque système d'exploitation se trouve le noyau, un logiciel fondamental agissant en tant que médiateur entre le logiciel d'application et les composants matériels de votre ordinateur.Il est responsable de la gestion du matériel de l'ordinateur (CPU, RAM, stockage, etc.), dictant comment et quand ces différentes ressources sont utilisées dans les applications en cours d'exécution et dormantes.

Par exemple, imaginez que vous rejoignez une conférence téléphonique sur votre ordinateur, à l'aide d'une application comme Zoom ou Google Meet.Une fois ouvert, l'application demandera au noyau d'accéder à la caméra et au microphone de votre ordinateur.Le noyau traite la demande en activant le matériel nécessaire sur votre ordinateur.Il dira également à l'ordinateur d'allouer une certaine quantité de ressources CPU pour maintenir une connexion fluide.

Fonctions du noyau

La fonction principale du noyau est de s'assurer que les logiciels et le matériel communiquent efficacement.

Voici une ventilation de certaines des fonctions de base du noyau qui lui permettent de fonctionner en douceur de votre ordinateur

La gestion des ressources

Le noyau permet aux applications de partager des ressources matérielles, d'orchestrer quand et la quantité de ressources matérielles particulières nécessaires pour une tâche (processus) donnée.

• CPU: Le noyau peut planifier différents processus pour utiliser le CPU afin que tout fonctionne bien et efficacement.
• Mémoire: Le noyau alloue de l'espace à chaque processus au besoin, en gardant une trace de ce qui est utilisé et de ce qui est gratuit, et échange les choses dans et l'extérieur si nécessaire.
• Gestion des appareils d'E / S: Lorsque vous utilisez votre clavier, votre souris ou d'autres appareils, le noyau gère ces interactions afin que les données se déroulent en douceur entre votre matériel et votre logiciel.

La gestion des processus

Le noyau gère tous les aspects de la gestion des processus, y compris la création de nouveaux processus, la planification lorsqu'ils s'exécutent et le nettoyage une fois qu'ils ont terminé.Il s'assure que chaque processus dispose des ressources dont il a besoin pour fonctionner tout en les protégeant des interférences les uns avec les autres.

Gestion de la mémoire

Le noyau supervise la mémoire physique et virtuelle, en s'assurant que chaque processus a suffisamment d'espace pour travailler.Il utilise des techniques comme la pagination (fixe) et la segmentation (variable) pour garder tout organisé et efficace.

Gestion des fichiers système

Le noyau organise comment les données sont stockées sur le disque dur ou le SSD de votre ordinateur en garantissant que vos fichiers sont enregistrés et récupérés rapidement et en toute sécurité.

Pilotes de périphérique

Les pilotes de périphérique sont comme des traducteurs pour différents composants matériels (imprimantes, cartes graphiques, etc.).Le noyau communique avec ces pilotes pour contrôler et coordonner l'utilisation des appareils.

Sécurité et protection

Le noyau applique le contrôle d'accès et les autorisations pour protéger le système contre l'accès non autorisé.Il isole les processus les uns des autres, ce qui empêche le code malveillant d'affecter d'autres parties du système.

Types de grains

Il existe différents types de grains, chacun avec sa conception et son approche uniques pour gérer les ressources de votre ordinateur.Explorons les principaux types de grains et ce qui rend chacun spécial:

Noyau monolithique

Considérez un noyau monolithique comme un grand package tout-en-un.Il comprend non seulement les fonctions principales du système d'exploitation, mais également les pilotes de périphériques, la gestion du système de fichiers et d'autres services système.

Tout fonctionne dans un seul espace de noyau, ce qui peut entraîner des performances et une efficacité élevées.

Exemples: Linux et versions plus anciennes d'Unix.

Microkernel

Les microkernels adoptent une approche minimaliste.Ils ne gèrent que les fonctions les plus essentielles, telles que la communication entre le matériel et les logiciels, et déléguer d'autres tâches (comme les pilotes de périphérique) pour séparer les processus en mode utilisateur.

Cette conception peut entraîner une amélioration de la stabilité et de la modularité, ce qui facilite l'isolat et la réparation des problèmes du système.

Exemples: Mach (utilisé dans MacOS X) et QNX.

Nanokernel

Les nanokernels sont encore plus petits et plus légers que les microkernels.Ils visent à gérer uniquement le strict absolu de tâches, telles que la commutation de contexte et l'abstraction matérielle.

Ce type de noyau est conçu pour des applications spécialisées, comme les systèmes embarqués ou les appareils IoT, où la simplicité et l'utilisation minimale des ressources sont essentielles.

Noyau hybride

Un noyau hybride est un mélange de conceptions monolithiques et micro-nul, visant à prendre le meilleur des deux mondes.

Il maintient certains des avantages de performance du noyau monolithique mais avec plus de modularité, comme un micro-noyau.

Exemples: Windows NT et MacOS (depuis la version X).

Exokernel

Les exokernels adoptent une approche différente en fournissant une interface à très bas niveau au matériel, ce qui donne plus de contrôle sur les ressources.Ce noyau OS permet une plus grande personnalisation et des gains de performances potentiels, mais il peut être complexe à gérer.

Pilotes de périphérique

Les pilotes de périphériques sont des composants logiciels qui permettent au noyau du système d'exploitation de communiquer avec les appareils matériels à l'intérieur et à l'extérieur de l'ordinateur.

Il existe 3 principaux types de moteurs d'appareil que votre système d'exploitation utilise:

Conducteurs de périphériques de caractère

Ces pilotes sont responsables de la gestion des appareils qui transfèrent le caractère de données par caractère, y compris les claviers, les souris, les ports série et les terminaux.Ils gèrent généralement les opérations d'entrée et de sortie sur une base de caractère, sans tamponner de grandes quantités de données.Les exemples incluent des pilotes de clavier pour interpréter les touches et les pilotes de souris pour suivre les mouvements du curseur.

Bloquer les pilotes de périphérique

Les pilotes de périphériques de blocs supervisent les appareils qui stockent et récupèrent les données dans des blocs ou des secteurs de taille fixe, tels que des disques durs, des disques à l'état solide (SSD) et des dispositifs de stockage USB.Ils gèrent les données en morceaux, permettant une lecture et une écriture efficaces de grandes quantités de données.Les pilotes de périphériques de bloc sont chargés de gérer les périphériques de stockage, qui comprennent le partitionnement, la mise en forme et la gestion des demandes de lecture et d'écriture.

Pilotes de périphérique réseau

Les pilotes de périphériques réseau sont responsables du contrôle des cartes d'interface réseau (NIC) et d'autres matériels de mise en réseau, facilitant la communication sur un réseau.Ces pilotes gèrent la transmission et la réception des paquets de données, implémentant des protocoles de réseau comme TCP / IP.Ils gèrent également la configuration du réseau, le routage des paquets et la transmission de données.

Mode du noyau vs mode utilisateur

Le mode utilisateur et le mode du noyau sont deux états de pilote de périphérique distincts dans le système d'exploitation.

Jetons un coup d'œil à ce qu'est chaque mode et pourquoi ils comptent pour la sécurité et la stabilité de votre ordinateur.

Mode de noyau

Le mode du noyau est un état privilégié dans lequel les composants principaux du système d'exploitation fonctionnent.Dans ce mode, le noyau a un accès sans restriction aux ressources matérielles et peut effectuer des tâches système critiques, telles que la gestion de la mémoire, le contrôle des périphériques matériels et la gestion des interruptions du système.C'est comme le centre de contrôle de votre ordinateur, où les opérations essentielles sont effectuées efficacement et en toute sécurité pour assurer le fonctionnement fluide du système d'exploitation.

Parce que le logiciel a un accès sans restriction aux ressources système sensibles, l'exécution en mode noyau nécessite un niveau élevé de confiance.En tant que tels, seuls les composants de confiance du système d'exploitation, comme le noyau lui-même et les pilotes d'appareil, fonctionnent en mode noyau pour maintenir l'intégrité du système.

Mode utilisateur

Le mode utilisateur est un environnement restreint où la plupart des applications, comme les navigateurs et les traitements de texte, sont exécutées.Dans ce mode, le logiciel fonctionne dans les limites définies par le système d'exploitation, sans accès direct au matériel ou aux ressources système critiques.Il est conçu pour fournir un environnement sûr et stable pour que les applications fonctionnent indépendamment sans interférer les uns avec les autres ou les fonctions principales du système d'exploitation.

Sécurité du noyau

Le noyau contient diverses mesures de sécurité pour protéger le système contre les menaces potentielles.

Voici quelques façons dont le noyau est en mesure de maintenir un environnement sécurisé et d'atténuer les vulnérabilités potentielles:

Contrôle d'accès: Le noyau applique les politiques de contrôle d'accès en attribuant des autorisations aux utilisateurs et aux processus, telles que lire, écrire et exécuter des autorisations.Il vérifie les demandes d'accès contre ces autorisations pour garantir que seules les entités autorisées peuvent accéder aux ressources.

Autorisations: Le noyau applique les autorisations en vérifiant les droits d'accès de l'entité demandant contre les autorisations associées à la ressource.Cela aide à prévenir l'accès non autorisé et l'utilisation abusive des ressources système.

Sandboxing: Le noyau implémente les techniques de sable, telles que l'isolement de processus, la séparation des espaces de noms et la séparation des privilèges, pour créer des environnements d'exécution sécurisés pour les applications.Cela les empêche d'accéder ou de modifier les ressources critiques du système.