O que é um kernel e como funciona?

O que é o kernel?

No coração de todo sistema operacional, está o kernel, um software fundamental que atua como mediador entre o software de aplicativo e os componentes de hardware do seu computador.É responsável por gerenciar o hardware do computador (CPU, RAM, armazenamento, etc.), ditando como e quando esses vários recursos são utilizados em aplicativos de corrida e dormente.

Por exemplo, imagine que você está participando de uma chamada em conferência no seu computador, usando um aplicativo como o Zoom ou o Google Meet.Quando aberto, o aplicativo solicitará ao kernel que acesse a câmera e o microfone do seu computador.O kernel processa a solicitação ativando o hardware necessário no seu computador.Ele também informará ao computador para alocar uma certa quantidade de recursos da CPU para manter uma conexão suave.

Funções do kernel

A função principal do kernel é garantir que o software e o hardware estejam se comunicando efetivamente.

Aqui está um colapso de algumas das funções principais do kernel que permitem que ele faça seu computador funcionando sem problemas por

Gestão de recursos

O kernel permite que os aplicativos compartilhem recursos de hardware, orquestrando quando e quanto de um recurso de hardware específico é necessário para uma determinada tarefa (processo).

• CPU: O kernel pode agendar processos diferentes para usar a CPU para que tudo funcione de maneira suave e eficiente.
• Memória: O kernel aloca espaço para cada processo, conforme necessário, acompanhando o que está em uso e o que é gratuito e troca as coisas dentro e fora, conforme necessário.
• Gerenciamento de dispositivos de E/S: Quando você usa o teclado, o mouse ou outros dispositivos, o kernel gerencia essas interações para que os dados fluam sem problemas entre seu hardware e software.

Gerenciamento de processos

O kernel lida com todos os aspectos do gerenciamento de processos, incluindo a criação de novos processos, a programação quando eles são executados e a limpeza quando terminarem.Ele garante que cada processo tenha os recursos necessário para operar enquanto os protege de interferir um com o outro.

Gerenciamento de memória

O kernel supervisiona a memória física e virtual, certificando -se de que cada processo tenha espaço suficiente para trabalhar.Ele usa técnicas como paginação (fixa) e segmentação (variável) para manter tudo organizado e eficiente.

Gerenciamento de arquivos do sistema

O kernel organiza como os dados são armazenados no disco rígido ou no SSD do seu computador, garantindo que seus arquivos sejam salvos e recuperados de maneira rápida e segura.

Drivers de dispositivo

Os drivers de dispositivo são como tradutores para diferentes componentes de hardware (impressoras, placas gráficas, etc.).O kernel se comunica com esses drivers para controlar e coordenar o uso de dispositivos.

Segurança e proteção

O kernel aplica o controle de acesso e as permissões para proteger o sistema do acesso não autorizado.Ele isola os processos um do outro, ajudando a impedir que o código malicioso afete outras partes do sistema.

Tipos de kernels

Existem diferentes tipos de kernels, cada um com seu próprio design e abordagem exclusivos para gerenciar os recursos do seu computador.Vamos explorar os principais tipos de grãos e o que torna cada um especial:

Kernel monolítico

Pense em um núcleo monolítico como um pacote grande e all-in-one.Ele inclui não apenas as funções principais do sistema operacional, mas também os drivers de dispositivo, o gerenciamento do sistema de arquivos e outros serviços do sistema.

Tudo funciona em um único espaço do kernel, o que pode levar a alto desempenho e eficiência.

Exemplos: Linux e versões mais antigas do Unix.

Microkernel

Os microkernels adotam uma abordagem minimalista.Eles lidam com apenas as funções mais essenciais, como a comunicação entre hardware e software, e delegam outras tarefas (como drivers de dispositivo) para separar os processos no modo de usuário.

Esse design pode levar a uma melhor estabilidade e modularidade, facilitando a isolamento e reparo de problemas do sistema.

Exemplos: mach (usado no macOS x) e QNX.

Nanokernel

Os nanokernels são ainda menores e mais leves que os microkernels.Eles pretendem lidar apenas com o mínimo absoluto de tarefas, como comutação de contexto e abstração de hardware.

Esse tipo de kernel foi projetado para aplicações especializadas, como sistemas incorporados ou dispositivos IoT, onde a simplicidade e o uso mínimo de recursos são fundamentais.

Kernel híbrido

Um kernel híbrido é uma mistura de projetos monolíticos e de microkernel, com o objetivo de tirar o melhor dos dois mundos.

Ele mantém algumas das vantagens de desempenho do kernel monolítico, mas com mais modularidade, como um microkernel.

Exemplos: Windows NT e MacOS (desde a versão X).

Exokernel

Os exokernels adotam uma abordagem diferente, fornecendo uma interface de nível muito baixo ao hardware, dando mais controle sobre os recursos.Esse kernel do sistema operacional permite maior personalização e possíveis ganhos de desempenho, mas pode ser complexo de gerenciar.

Drivers de dispositivo

Os drivers de dispositivo são componentes de software que permitem que o kernel do sistema operacional se comunique com dispositivos de hardware dentro e fora do computador.

Existem três tipos principais de drivers de dispositivo que seu sistema operacional utiliza:

Drivers de dispositivo de caracteres

Esses drivers são responsáveis pelo gerenciamento de dispositivos que transferem o caractere de dados por caracteres, incluindo teclados, ratos, portas seriais e terminais.Eles normalmente lidam com operações de entrada e saída com base no caractere, sem buffer grandes quantidades de dados.Os exemplos incluem drivers de teclado para interpretar pressionamentos de teclas e drivers de mouse para rastrear movimentos do cursor.

Drivers de dispositivo de bloqueio

Os drivers de dispositivo de bloco supervisionam os dispositivos que armazenam e recuperam dados em blocos ou setores de tamanho fixo, como discos rígidos, unidades de estado sólido (SSDs) e dispositivos de armazenamento USB.Eles lidam com dados em pedaços, permitindo leitura e escrita eficientes de grandes quantidades de dados.Os drivers de dispositivo de bloco têm a tarefa de gerenciar dispositivos de armazenamento, que incluem particionamento, formatação e manuseio de solicitações de leitura e gravação.

Drivers de dispositivo de rede

Os drivers de dispositivos de rede são responsáveis pelo controle de cartões de interface de rede (NICs) e outros hardware de rede, facilitando a comunicação em uma rede.Esses drivers gerenciam a transmissão e recepção de pacotes de dados, implementando protocolos de rede como o TCP/IP.Eles também lidam com a configuração de rede, o roteamento de pacotes e a transmissão de dados.

Modo de kernel vs. modo de usuário

O modo de usuário e o modo kernel são dois estados de driver de dispositivo distintos no sistema operacional.

Vamos dar uma olhada no que é cada modo e por que eles importam para a segurança e a estabilidade do seu computador.

Modo de kernel

O modo kernel é um estado privilegiado no qual os componentes principais do sistema operacional operam.Nesse modo, o kernel tem acesso irrestrito a recursos de hardware e pode executar tarefas críticas do sistema, como gerenciar memória, controlar dispositivos de hardware e interrupções no sistema de manuseio.É como o centro de controle do seu computador, onde as operações essenciais são realizadas com eficiência e segurança para garantir o bom funcionamento do sistema operacional.

Como o software tem acesso irrestrito a recursos sensíveis do sistema, a execução no modo de kernel requer um alto nível de confiança.Como tal, apenas componentes confiáveis do sistema operacional, como o próprio kernel e os drivers de dispositivo, operam no modo kernel para manter a integridade do sistema.

Modo de usuário

O modo de usuário é um ambiente restrito em que a maioria dos aplicativos, como navegadores e processadores de texto, é executada.Nesse modo, o software opera dentro dos limites definidos pelo sistema operacional, sem acesso direto a hardware ou recursos críticos do sistema.Ele foi projetado para fornecer um ambiente seguro e estável para os aplicativos operarem de forma independente, sem interferir entre si ou com as funções principais do sistema operacional.

Segurança do kernel

O kernel contém várias medidas de segurança para proteger o sistema contra ameaças em potencial.

Aqui estão algumas maneiras pelas quais o kernel é capaz de manter um ambiente seguro e mitigar potenciais vulnerabilidades:

Controle de acesso: O kernel aplica políticas de controle de acesso atribuindo permissões a usuários e processos, como leitura, gravação e execução de permissões.Ele verifica as solicitações de acesso contra essas permissões para garantir que apenas entidades autorizadas possam acessar recursos.

Permissões: O kernel impõe permissões, verificando os direitos de acesso da entidade solicitante em relação às permissões associadas ao recurso.Isso ajuda a evitar acesso não autorizado e uso indevido de recursos do sistema.

Sandboxing: O kernel implementa técnicas de sandboxing, como isolamento de processos, separação de namespace e separação de privilégios, para criar ambientes de execução seguros para aplicativos.Isso os impede de acessar ou modificar os recursos críticos do sistema.