Erilaiset käyttöjärjestelmäarkkitehtuurit kuvattuna monoliittisen, mikro- sekä ”hybridi-ytimen” avulla.
Ydin elikerneli (engl.kernel) onkäyttöjärjestelmän osa, jolla on täysi kontrolli kaikesta järjestelmässä tapahtuvasta.[1]
Käyttöjärjestelmän ytimiä on kahta päätyyppiä: monoliittisia ja mikroytimiä.Monoliittinen ydin (makroydin) sisällyttää ytimen toiminnot samaan ytimenosoiteavaruuteen (engl.address space).Mikroydin ulkoistaa valtaosan ytimen toiminnoista käyttäjäavaruuteen. Nykyaikaiset käyttöjärjestelmät eivät ole rakenteeltaan puhtaasti monoliittisia tai mikroytimeen perustuvia, vaikka edelleen selviä esimerkkejä näistä kahdesta mallista on olemassa. Sen sijaan modernit käyttöjärjestelmät soveltavat monillakin tavoilla toistensa ideoita.Vain harvat ytimet ovat puhtaasti monoliittisia ytimiä tai mikroytimiä.[2]
Käyttöjärjestelmän ytimen sanotaan tarjoavan toimintonsapalveluina (engl.services), jotka voivat olla toteutettu erillisinäkomponentteina (engl.components), jotka kommunikoivat erilaistenrajapintojen (engl.interfaces) avulla.[3]
Käyttöjärjestelmän ydin toimii suojatussa (engl.protected) ytimen muistiavaruudessa (engl.kernel space), joka estää muita ohjelmia ylikirjoittamasta sitä.[1] Ydin käsitteleeprosesseja sekäkeskeytyksiä, kun taas kaikki normaalisti tietokoneen käyttäjän tekemä kuten tekstieditorit ovat käyttäjäavaruudessa (engl.user space).[1]Käyttöjärjestelmän ydin on etuoikeutettu (engl.privileged): ytimellä on suora pääsy kaikkeen laitteiston toimintoihin ja se asettaa käsittelijät keskeytyksille ja poikkeuksille.[4] Keskeytys tulee ulkoisesta tapahtumasta (ajoitus, laite tarvitsee huomiota) ja poikkeukset suoritettavasta käskystä (fault taitrap).[4]Suorittimessa voi olla ydintila, joka kertoo suorittaako se käyttäjäohjelmaa vai ydintä: tietytkäskyt tai tietohaut ovat sallittuja vain kun suoritin on ydintilassa.[4]
Moniohjelmointia tukevat järjestelmät rakentuvat prosessin käsitteelle, jossa käyttöjärjestelmä lomittaa prosessien suorituksen (vuoronnus), jakaa resurssit käytäntöjen mukaan (esimerkiksi prosessien prioriteetin mukaan) ja käyttöjärjestelmän voi tarvita tukeaprosessien välistä kommunikaatiota.[5]Yksinkertaisessa järjestelmässä muisti on jaettu kahteen osaan: käyttöjärjestelmälle (monitori, ydin) ja suoritettavalle ohjelmalle. Moniohjelmointijärjestelmässä käyttäjäavaruus jaetaan edelleen useiden prosessien käyttöön. Muistin jakaminen dynaamisesti onmuistinhallinnan tehtävä.[5]IO-laitteiden hallinta on yksi käyttöjärjestelmien ominaisuus, jota vaikeuttaa laitteiden suuri vaihtelevuus.[5]
Yksittäisen ohjelman kaatuminen ei ole järjestelmän kannalta yhtä kriittistä kuin ytimen kaatuminen, jonka myötä koko tietokoneen sanotaan kaatuneen.[1]
Sovellusohjelmat kommunikoivat ytimen kanssajärjestelmäkutsujen avulla.[6] Järjestelmäkutsu ei ole suorafunktiokutsu kuten sovelluksissa, vaan kutsun on ylitettävä ytimen ja käyttäjäavaruuden välinen jako.[7] Järjestelmäkutsu on rajapinta sovellusohjelman ja ytimen tarjoaman palvelun välillä.[7]
Tyypillisesti käyttöjärjestelmän ydin on suojattu omaan suoritustilaan (engl.privileged mode, kernel mode) ja käyttäjäsovellukset ovat käyttäjätilassa (engl.user mode): ydin voi käyttää suorittimen toimintoja, joita käyttäjätilassa olevat prosessit eivät voi käyttää.
Ytimen suoritustila voidaan toteuttaasuorittimen ominaisuuksista riippuen korkeammalla suoritustasolla (supervisor-tila,Motorola 68000 -sarja) tai käyttämällä ohjelmasegmentin tilaa (x86).[8]
On myös ytimiä, jotka eivät toteuta muistisuojausta, kutenAmiga OS, jonka piti toimia myös suorittimilla ilmanmuistinhallintayksikköä.[9]
Ferrantin valmistamaAtlas oli luultavasti ensimmäinen tietokone, jonkakontrolliohjelmaa voitiin kutsua käyttöjärjestelmäksi.[10]Tietokoneessa oli myös tukivirtuaalimuistille.[11]
Varhaiset käyttöjärjestelmät kehitettiin 1960-luvun alussa ja kirjoitettiinassemblyllä. Sovellusohjelmointiin oli korkeamman tasonohjelmointikieliä kutenFortran jaALGOL. Järjestelmäohjelmointikielet kutenC-kieli lisäsivät ylemmän tason kielien käyttöä käyttöjärjestelmien toteutuksessa. Tietokoneet olivat vielä rajatussa käytössä, jossa niiden käyttö oli operaattoreiden vastuulla. Varhaisissa käyttöjärjestelmissä koko käyttöjärjestelmä toimi yhtenä suoritettavana binäärinä.
Varhaiset käyttöjärjestelmät kutenMIT-yliopistonCompatible Time-Sharing System eivät voineet kasvaa suuriksi rajoitettujen tietokoneresurssien kuten muistimäärän ja suoritintehon vuoksi.THE-käyttöjärjestelmä vaikutti myöhempien käyttöjärjestelmien kehitykseen esittelemällä useita suunnitteluperiaatteita.[12] Kun saatavilla olevat resurssit kasvoivat samalla kasvoivat myös käyttöjärjestelmät.
1960-luvun puoliväliin mennessä käyttöjärjestelmät olivat kasvaneet ihmisen käsityskyvyn yli:Exec II -käyttöjärjestelmään tuli ongelmia, joita piti ratkoaad hoc -ratkaisuilla.[13]Suuret käyttöjärjestelmäprojektit kutenMultics olivat ongelmissa niiden suorituskyvyn kanssa.[14] Multics:in jälkeenGeneral Electric kehittiGeneral Comprehensive Operating System (GECOS) käyttöjärjestelmän jaBell Labs kehittiUnix-käyttöjärjestelmän.[15] Unixin ytimen kehittäjäKen Thompson jätti ytimestä pois paljon ominaisuuksia ja jätti ne käyttäjäavaruuteen, jolloin ydin oli Thompsonin omien sanojen mukaan vain "IO-multiplekseri".[16][17] Unixin ydin oli vain noin 10 000 riviäC-kielellä tehtyä koodia ja noin 1 000 riviä assemblyä.[17]
1970-luvulla esitettiin ajatus mikroytimestä, jossa varsinainen luotettu ydin olisi pienempi.[18] Mikroytimiä toteutettiin useita 1980-luvulla ja osasta suunnittelutavoitteista luovuttiin käytännön ongelmien vuoksi, joista yksi on prosessien välisen kommunikaation aiheuttama lisäkuorma.[18] Mikroytimissä ei ollut myöskään joustavuutta tukea useampaa kuin yhtä toteutusta järjestelmän peruspalvelusta.[18] Mikroytimessä esiintyi myös enemmän moduulien välistä kopiointia ja moduulien välistä häirintäävälimuistin käyttötavasta.[18]
1990-luvulla esitettiin ajatus eksoytimestä.[18][19] Vaikuttava ajatus oli että sovellukset tietävät enemmän resurssitarpeistaan ja niille annettaisiin mahdollisimman paljon kontrollia päätöksistä.[18] Osa toiminnoista sijoitettaisiin kirjastoihin, joihin ydin ei luottaisi.[18]
IBM pyrki kehittämäänWorkplace OS käyttöjärjestelmääOSF Research Instituten kanssa perustuenCarnegie Mellon -yliopiston (CMU)Mach-mikrokerneliin, josta tuli yksi kalleimmista epäonnistumisista.[20]
Monoliittinen ydin (makroydin) sisältää kaikki ytimen toiminnot samassa ytimen osoiteavaruudessa (engl.kernel space). Monoliittisen rakenteen etuja ovat käyttöjärjestelmän nopeus sekä helppo kehitysmalli. Toisaalta ylläpitäminen monimutkaistuu ominaisuuksien lisääntyessä, sillä yksittäinen ohjelmoija ei voi tuntea kaikkia toimintoja ja niiden vaikutuksia toisiinsa. Huonoista puolista vakavin on, että yksikin virhe jossain ytimen toiminnossa, kuten muistinhallinnassa, verkkoprotokollassa, levyjärjestelmässä tai laiteajurissa, vaikuttaa ytimen muihinkin osiin. Tästä seuraa koko järjestelmän kaatuminen.
Monoliittinen ydin toimii yksin suojatussa tilassa omassa osoiteavaruudessa ja tarjoaa muille ohjelmistoillejärjestelmäkutsut ytimen toimintojen kutsumiseen.
Monoliittisessä ytimessä kaikki ajurit ovat kiinteästi osana ydintä ilmanladattavia moduuleja, kun taas ladattavia moduuleja tukevia kuvataan toisinaan hybridiytimiksi.[21][2] Toisaalta moduuleiden katsotaan olevan vain laajennusta helpottavia tekijöitä monoliittiselle ytimelle.[1]
Esimerkkinä monoliittista rakennetta käyttävistä moderneista käyttöjärjestelmistä onOpenBSD, joka poisti tuen ladattaville ytimen moduuleille.[22]SekäNetBSD ettäFreeBSD tukevat ladattavia ytimen moduuleja.[23][24]Linuxiin liittyvässä dokumentaatiossa monoliittisellä ytimellä on viitattu ytimeen, josta ladattavien moduulien tuki on kytketty pois käännösvaiheessa.[25]
MyösVMS on monoliittiseen ytimeen perustuva (tosinDigital kokeili myös mikroydintä).[26]VAX-alustalle kehitetyn VMS:n kehittäjiin kuulunutDavid Cutler siirtyi myöhemminMicrosoftille.[27]
Mikroytimen, sen palveluiden ja sovellusohjelmien suhde.
Mikroydinrakenteella pyritään parantamaan ytimen tietoturvaa ja vakautta, mutta tämä tapahtuu nopeuden kustannuksella. Mikroydinrakenteessa ydin pilkotaan useisiin palasiin: pieneksi pelkistetyksi mikroytimeksi sekä ytimen moduuleiksi. Mikroydin sijoittaa ytimen osat toiseen osoiteavaruuteen eli käyttäjäavaruuteen (engl.userspace, user mode, userland), jotka käyttävätprosessien välistä kommunikointia varsinaisen ytimen kanssa toimintaan.[28] Jokainen ytimen moduuli suojataan eristämällä moduulit toisistaan, ja ne ovat yhteydessä ytimeen ja toisiinsa suojattuina prosesseina. Yhden ytimen moduulin kaatuminen ei vaikuta muihin moduulehin tai ytimeen, vaan ainoastaan sitä tarvitseviin prosesseihin. Vikaantunut ytimen moduuli voidaan käynnistää uudelleen. Jokainen ytimen moduuli tai jopa mikroydin voidaan päivittää muista osista riippumatta. Ydin on tällöin modulaarinen rakenteeltaan ja teoriassa hyvinvikasietoinen. Ytimen jakaminen erillisiin muistiavaruuksiin tekee siitä kuitenkin hitaan, koska tiedon siirtäminen ytimen moduulien ja mikroytimen välillä vaatii huomattavasti enemmän prosessorin kellojaksoja kuin monoliittiseen rakenteeseen perustuva ydin.
Ensimmäisen sukupolven mikroytimiä ovatMach jaChorus.[29] Toisen sukupolven mikroytimiin kuuluuL4 jaQNX.[29]
Symbian ja QNX ovat esimerkkejä mikroytimeen perustuvista menestyksekkäistä käyttöjärjestelmistä. Muita mikroytimeen perustuvia käyttöjärjestelmiä ovatBeOS jaNextstep.GNU Hurd perustuuGNU Mach -ytimeen.
Mikroytimen keskeinen toimintaperiaate on viestien välittäminen moduulien välillä.[2] Kommunikaation aiheuttama kuormitus on myös merkittävä haittatekijä.[2][20]
Puhtaasti mikroydin-ajatteluun perustuva tutkimus on lähes täysin hylätty huonon suorituskyvyn johdosta.[29] Näissä ydin tarjoaa vain osoiteavaruuden,säikeistyksen japrosessien välisen kommunikaation tai muun joukon vastaavia primitiivejä.[29]
Terminanoydin (japikoydin) viittaa mikroytimeen, jossa moduulit rajataan pienempiin osiin vainkykyjen (engl.capabilities) perusteella.[31][32] Termiä on käytetty lähinnä mikroytimien alkuvaiheessa.[32]
Lisäksi on ainakin yksi tapaus jossa nanoydin viittaananosekuntien tarkkuudella toimivaan ytimeen[33], sekä tapaus jossa nanoydin viittaa laitteiston abstraktiokerrokseen (Adeos)[34].
Symbianin tapauksessa nanoydin viittaa ytimen osaan, joka toteuttaa ytimen säikeet, vuoronnuksen ja synkronointitoiminnot.[35] Symbianin nanoydin on alkukäsittelijä kaikille keskeytyksille ja välittää niistä useimmat toiselle kerrokselle.[35] Synkronointitoiminnot sisältävät mutexin (NFastMutex) ja semaforin (NFastSemaphore).[35] Symbianin käyttöjärjestelmäydin viittaa osaan, joka rakentuu nanoytimen palveluille ja toteuttaa asioita kuten käyttäjäavaruuden säikeet.[35]
1990-luvullaMIT:ssä esiteltiin eksoydin, joka on myös siinä käytetyn konseptin nimitys.[36][18][19] Vaikuttava ajatus oli että sovellukset tietävät enemmän resurssitarpeistaan ja niille annettaisiin mahdollisimman paljon kontrollia päätöksistä.[18] Osa toiminnoista sijoitettaisiinkirjastoihin, joihin ydin ei luottaisi.[18] Eksoytimeen viitataan myöskirjastokäyttöjärjestelmänä (library operating system, libOS).[37]
Eksoydin eriyttää hallinnan ja suojauksen siten, että ytimessä on suojaus mutta laitteiston hallinta tapahtuu sovelluksien käyttämien kirjastojen avulla.[38]
Hybridiytimessä tarkoitetaan monoliittisen ja mikroytimen yhdistelmää: ydin on pilkottu vaihtelevin tavoin moduuleiksi, jotka sijaitsevat ydinavaruudessa. Hybridiytimen on tarkoitus olla vakaudeltaan ja tietoturvaltaan yhtä hyvä kuin mikroytimeen perustuva ydin, mutta samalla yhtä nopea kuin monoliittinen ydin.
Moni käyttöjärjestelmäasiantuntija kuitenkin katsoo, että hybridiydin-termi ei oikeastaan tarkoita mitään. EsimerkiksiLinus Torvalds on sanonut, että puhe hybridiytimistä on pelkkää markkinointia:
»Mitä tulee tähän koko 'hybridiydin' -juttuun – kyse on vain markkinoinnista. Niin kuin, että 'mikroytimet ovat hyvää PR:ää, miten saamme työstämällemme ytimelle hyvää PR:ää? Keksin! Käytetään coolia nimeä ja yritetään antaa käsitys, että siinä on kaikki PR-edut, joita toisellakin järjestelmällä on'.[40]»
»Se on harhaanjohtavaa... Luulen, että tämä puhetapa... syntyi jostain puolivillaisesta markkinointitempusta, jolla halutaan saada tietty ydin näyttämään 'edistyksellisemmältä'. 'Mikro' ja 'hybridi' ovat aina parempia, parempia kuin 'monoliittinen', eikö vain?[41]»
Unikernel viittaa käyttöjärjestelmän rakenteeseen, jossa käyttöjärjestelmän ydin ja suoritettava sovellusohjelma käyttävät yhtä osoiteavaruutta.[42] Tyypillisestiunikernel suorittaa vain yhtä prosessia, mutta teknisesti on mahdollista tukea useampia, jotka jakavat saman osoiteavaruuden.[43] Ratkaisu on suunnattupilvipalveluissa käytettäväänhypervisor-virtualisointiin tavoitteena parempi suorituskyky.[44][45] Eräs sovelluskohde ovatIoT-laitteet, joissa ei ole laitteistoresursseja perinteisen käyttöjärjestelmän suorittamiseen.[43]
Multikernel on tutkimuskäyttöön tarkoitettu rakenne, jossa on useita käyttöjärjestelmän ytimiä tietokoneessa, jossa on monta suoritinydintä. Rakenteessa tietokonetta käsitelläänhajautetun järjestelmän tapaan, jossa ytimet käyttävät viestien välitystä keskenään ja tietokonetta käsitellään verkkona itsenäisinä ytimiä ilman jaettuja resursseja ytimien välillä.[46]
↑abcWilliam Stallings: Operating System Internals and Design Principles, s. 107,306,475. (Seventh edition) Prentice Hall, 2012. ISBN 978-0-13-230998-1(englanniksi)
↑abcdHermann Härtig & Michael Hohmuth & Jochen Liedtke & Sebastian Schönberg & Jean Wolter: The Performance of µ-Kernel-Based Systemsos.inf.tu-dresden.de. Viitattu 9.8.2019. (englanniksi)
.png)
