Kernel: differenze tra le versioni

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[[File:Kernel-simple.svg|thumb|Astrazione dal [[software]] all'[[hardware]] passando per il ''kernel'']]

UnIn [[informatica]], il '''kernel''' (pronuncia inglese britannica in [[Alfabeto fonetico internazionale|IPAAFI]]: {{IPA|[ˈkəːnəl]|en}}), in [[informatica]] costituisce ilo '''nucleo''' o '''cuore''' diè un [[sistemaProgramma operativo(informatica)|programma]], ovverosituato ilal centro del [[softwaresistema operativo]] che ha generalmente un controllo completo dell'intero sistema<ref name="Linfo">{{cita web|url=http://www.linfo.org/kernel.html|titolo=Kernel|sito=Linfo|editore=Bellevue Linux Users Group|accesso=15 settembre 2016|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20061208185439/http://www.linfo.org/kernel.html|urlmorto=}}</ref> e fornisce un accesso sicuro e controllato dell'[[hardware]] ai [[processo (informatica)|processi]] in [[esecuzione (informatica)|esecuzione]] sul [[elaboratore|computer]].<ref>{{cita libro|linguaautore=enBrian Bagnall|titolo=On The Edge: The Spectacular Rise and Fall of Commodore|autoreanno=Brian2006|editore=Variant BagnallPress|lingua=en|p=202|ISBN=978-0-97-386490-8|editore=Variant Press|anno=2006|pagina=202}}{{quoteCitazione|Il kernel è la parte più fondamentale di un programma, normalmente un sistema operativo, che risiede in memoria per tutto il tempo e che fornisce i servizi di base: è la parte del sistema operativo che è più vicina alla macchina e che può attivare l'hardware direttamente oppure interfacciarsi con un altro livello software che gestisce l'hardware.||The kernel is the most fundamental part of a program, typically an operating system, that resides in memory at all times and provides the basic services. It is the part of the operating system that is closest to the machine and may activate the hardware directly or interface to another software layer that drives the hardware.|lingua=en}}</ref>. Dato che possono eventualmente esserne eseguiti simultaneamente più di uno, il kernel può avere anche la responsabilità di assegnare una porzione di tempo-macchina (''[[scheduling]]'') e di accesso all'hardware a ciascun programma (''[[multitasking]]'')<ref>{{cita web|lingua=en|url=http://kukuruku.co/hub/opensource/multitasking-management-in-the-operating-system-kernel|titolo=Multitasking Management in the Operating System Kernel|autore=LifeV|data=13 maggio 2014|editore=Kukuruku.co|accesso=1º novembre 2016}}{{quoteCitazione|Siccome in un dato momento ogni processore gestito dal kernel può eseguire solo una istruzione per volta, ci può essere solo un thread attivo. Il processo mediante il quale si sceglie il thread di calcolo attivo è chiamato scheduling. A sua volta, il modulo incaricato di fare questa scelta è detto scheduler.||Since only one instruction can be executed at one processor kernel at one moment, only one thread can be active. The process of chosing the active computing thread is called scheduling. In its turn, the module which is in charge of the choice is called the scheduler. |lingua=en}}</ref>.

== Descrizione ==

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Questa era la modalità di funzionamento tipica dei primi computer, che venivano resettati prima di eseguire un nuovo programma. In un secondo tempo, alcuni programmi accessori come i program loader e i [[debugger]] venivano lanciati da una [[Read Only Memory|memoria a sola lettura]], o fatti risiedere in [[memoria (informatica)|memoria]] durante le transizioni del computer da un'[[Applicazione (informatica)|applicazione]] all'altra: essi formarono la base di fatto per la creazione dei primi sistemi operativi.

Un'altra situazione in cui l'assenza di sistema operativo è auspicabile è l'esempio dei [[Microcontrollore|microcontrollori]] minimalistimonolitici.

L'accesso diretto al kernel da parte di un utente/[[sistemista|amministratore]] può avvenire in modalità [[user mode]] o [[kernel mode]].

== Classificazione ==

[[File:OS-structure2.svg|miniaturathumb|Confronto tra i diversi kernel]]

L'accesso diretto all'hardware può essere anche molto complesso, quindi i kernel usualmente implementano uno o più tipi di astrazione dall'hardware, il cosiddetto ''livello di astrazione dell'hardware'' (''[[hardware abstraction layer]]'' o ''HAL''). Queste astrazioni servono a "nascondere" la complessità e a fornire un'interfaccia pulita e uniforme all'hardware sottostante, in modo da semplificare il lavoro degli sviluppatori.

I kernel si possono classificare in quattro categorie, in base al grado di astrazione dell'hardware:

* ''Kernel monolitici'', che implementano direttamente una completa astrazione dell'hardware sottostante.

* ''Microkernel'', che forniscono un insieme ristretto e semplice di astrazione dell'hardware e usano software (chiamati [[device driver]] o [[server]]) per fornire maggiori funzionalità.

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* ''Esokernel'', che rimuovono tutte le limitazioni legate all'astrazione dell'hardware e si limitano a garantire l'accesso concorrente allo stesso, permettendo alle singole applicazioni di implementare autonomamente le tradizionali astrazioni del sistema operativo per mezzo di speciali [[Libreria software|librerie]].

=== Kernel monolitici di primo tipo ===

[[File:Kernel-monolithic.svg|miniaturathumb|Rappresentazione grafica di un kernel monolitico]]

L'approccio monolitico definisce un'interfaccia virtuale di alto livello sull'hardware e software, con un set di primitive o [[chiamata di sistema|chiamate di sistema]] per implementare servizi di sistema operativo come ''gestione dei processi'', ''multitasking'' e ''gestione della memoria'', in diversi moduli che girano in ''modalità supervisore''.

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=== Microkernel ===

{{Vedivedi categoriaanche|microkernel}}

[[File:Kernel-microkernel.svg|miniaturathumb|Rappresentazione grafica di un microkernel]]

[[File:IBM AIX logo (2021).svg|thumb|Logo [[AIX (sistema operativo)|AIX]], sistema operativo, basato su microkernel]]

[[File:BeOS_screenshot.png|thumb|[[BeOS]], altro sistema operativo basato su microkernel]]

L'approccio microkernel consiste nel definire un kernel principale che fornisce esclusivamente un set di ''primitive'' o [[chiamata di sistema|chiamate di sistema]] per implementare servizi minimali del sistema operativo quali gestione dei [[Thread (informatica)|thread]], [[Spazio di indirizzamento|spazi di indirizzamento]] o [[Comunicazione tra processi|comunicazione interprocesso]]. Sopra tale kernel minimale (da cui il prefisso "micro") vengono innestati dei server, ovvero programmi separati dal kernel che comunicano con questo tramite le suddette chiamate di sistema per implementare le varie funzionalità del sistema.

L'obiettivo principale è la separazione delle implementazioni dei servizi di base dalle strutture operative del sistema. Per esempio, il processo di blocco (locking) dell'input/output può essere implementato come modulo server a livello utente. Questi moduli a livello utente, usati per fornire servizi di alto livello al sistema, sono modulari e semplificano la struttura e la progettazione del kernel. Un servizio server che smette di funzionare non provoca il blocco dell'intero sistema, e può essere riavviato indipendentemente dal resto.

Vi sono alcuni tipi di microkernel che non possono essere definiti esattamente come tali, perché non implementano alcune funzioni sotto forma di server, sebbene siano caratterizzati da altre prerogative che definiscono i microkernel. Il più noto di essi è [[AmigaOS#Exec|Exec]], abbreviazione di Executive Multitasking (e il suo diretto successore [[AmigaOS#ExecSG|ExecSG]]) che è il kernel di [[AmigaOS]].

Esempi di microkernel e Sistemi operativi basati su microkernel:

[[File:IBM AIX logo (2021).svg|thumb|Logo [[AIX (sistema operativo)]], sistema operativo, basato su microkernel]]

[[File:BeOS_screenshot.png|thumb|[[BeOS]], altro sistema operativo basato su microkernel]]

* [[AIX (sistema operativo)|AIX]]

* [[Amoeba (sistema operativo)|Amoeba]]

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* [[QNX]]

* [[RadiOS]]

* [[Redox (sistema operativo)|Redox]]

* [[Spring operating system]]

* [[Symbian OS]]

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=== Kernel monolitici e microkernel: confronto ===

[[File:DragonFly_BSD_4.2.3_bootloader_screenshot.png|thumb|[[DragonFly BSD|DragonFly]]]]

I kernel monolitici sono spesso preferiti ai microkernel a causa del minor livello di complessità nel controllo dei codici di controllo in uno spazio di indirizzamento. Per esempio [[XNU]], il kernel di [[macOS]], è basato su un kernel Mach 3.0 e componenti BSD nello stesso spazio di indirizzamento in modo da abbattere i tempi di latenza tipici dei microkernel. XNU risulta così un kernel dalle notevoli prestazioni poiché basato in parte su una soluzione ibrida e non può in ogni caso essere considerato un microkernel. Nella documentazione ufficiale di Apple si fa chiaro riferimento a XNU come Kernel Monolitico Modulare.

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In realtà vi sono ragioni da entrambe le parti.

[[File:DragonFly_BSD_4.2.3_bootloader_screenshot.png|thumb|[[DragonFly BSD|DragonFly]]]]

I kernel monolitici tendono ad essere più semplici da progettare correttamente, e possono quindi evolversi più rapidamente di un sistema basato su microkernel. Ci sono storie di successi in entrambi gli schieramenti. I microkernel sono spesso usati in [[Sistema embedded|sistemi embedded]] in applicazioni [[Sistema critico|mission critical]] di automazione robotica o di medicina, a causa del fatto che i componenti del sistema risiedono in aree di memoria separate, private e protette. Ciò non è possibile con i kernel monolitici, nemmeno con i moderni moduli caricabili.

A parte il [[Mach (kernel)|kernel Mach]], che è il più noto microkernel di uso generico, molti altri microkernel sono stati sviluppati con scopi specifici. [[Kernel L3]] in particolare è stato creato per dimostrare che i microkernel non sono necessariamente lenti. La [[famiglia di microkernel L4]], successori di L3, dispongono di una implementazione chiamata [[Fiasco (informatica)|Fiasco]] in grado di eseguire il [[Linux (kernel)|kernel Linux]] accanto agli altri processi di L4 in spazi di indirizzamento separati.

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=== Kernel ibridi ===

[[File:Kernel-hybrid.svg|miniaturathumb|Rappresentazione grafica di un kernel ibrido]]

I kernel ibridi sono essenzialmente dei microkernel che hanno del codice "non essenziale" al livello di spazio del kernel in modo che questo codice possa girare più rapidamente che se fosse implementato ad alto livello. Questo fu un compromesso adottato da molti sviluppatori di sistemi operativi prima che fosse dimostrato che i microkernel puri potevano invece avere performance elevate. Molti sistemi operativi moderni rientrano in questa categoria: [[Microsoft Windows]] è l'esempio più noto. Anche [[XNU]], il kernel di Mac OS X, è di fatto un microkernel modificato, per via dell'inclusione di codice BSD in un kernel basato su Mach. [[DragonFly BSD]] è stato il primo sistema BSD non basato su Mach ad adottare l'architettura a kernel ibrido.

Non si confonda il termine "kernel ibrido" con i kernel monolitici che possono caricare moduli dopo il [[boot]], poiché "ibrido" implica che il kernel in questione condivide concetti architetturali e meccanismi tipici sia dei kernel monolitici che dei microkernel, specialmente il passaggio di messaggi e la migrazione di porzioni di codice "non essenziale" a più alto livello, mantenendo a livello kernel solo il codice necessario per ragioni di prestazioni.

Esempi di kernel ibridi:

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=== Esokernel ===

[[File:Kernel-exo.pngsvg|frame|rightthumb|Rappresentazione grafica di un Exokernel]]

Gli esokernel, o Exokernel, conosciuti anche come "sistemi operativi verticali", sono un approccio radicalmente differente alla progettazione dei sistemi operativi. L'idea centrale è "separare la protezione dalla gestione".

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Dato che un esokernel fornisce un'interfaccia davvero a basso livello all'hardware, mancando di qualsiasi funzionalità di alto livello tipica degli altri sistemi operativi, esso è accompagnato da un ''sistema operativo-libreria'' (in gergo libOS) che si interfaccia con l'esokernel sottostante fornendo quindi agli sviluppatori di applicazioni le funzionalità di un sistema operativo completo.

Tutto ciò ha un'importante implicazione: è possibile avere diversi libOS sul sistema. Se, per esempio, si installa un libOS che esporta un'API Unix e uno che esporta un'API Windows, è possibile eseguire simultaneamente applicazioni compilate per UNIX e per Windows. Lo sviluppo dei libOS avviene a livello utente, senza reboot, debug su console e in piena [[protezione della memoria]].

Al momento gli esokernel sono più che altro dei progetti di ricerca e non sono usati in sistemi operativi commerciali. Un esempio di sistema basato su esokernel è [[Nemesis (informatica)|Nemesis]], sviluppato dall'[[Università di Cambridge]], dall'[[Università di Glasgow]], da [[Citrix Systems]] e dall'[[Istituto reale di tecnologia|Istituto Svedese di Informatica]]. Anche il [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] ha sviluppato diversi sistemi basati su esokernel.

=== No Kernel ===

Il software cosiddetto "no kernel" non ha l'obbligo di essere limitato ad un unico entry point che sia oltretutto centralizzato. Un esempio è dato da progetti come [https://web.archive.org/web/20190602150238/http://tunes.org/ TUNES] e UnununiumOS, che intendevano creare un sistema operativo privo di kernel (entrambi i progetti sono stati interrotti).

== Note ==

<references/>

== Bibliografia ==

* {{cita libro |cognome=Deitel |nome=Harvey M. |titolo=An introduction to operating systems |annooriginale=1982 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=79046&dl=GUIDE&coll=GUIDE |edizione=revisited first edition |anno=1984 |editore=Addison-Wesley |paginep=673|isbn=0-201-14502-2 }}

* {{cita pubblicazione|cognome=Denning |nome=Peter J. |linkautore=Peter J. Denning |anno=1980 |mese=aprile|titolo=Why not innovations in computer architecture? |rivista=ACM SIGARCH Computer Architecture News |volume=8 |numero=2 |pp=4-7 |issn=0163-5964 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=859506&coll=&dl=ACM&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 }}

* {{cita pubblicazione|cognome=Brinch Hansen |nome=Per |anno=1970 |mese=aprile|titolo=The nucleus of a Multiprogramming System |rivista=Communications of the ACM |volume=13 |numero=4 |pp=238-241 |issn=0001-0782 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=362278&dl=ACM&coll=GUIDE&CFID=11111111&CFTOKEN=2222222 }}

* {{cita libro |cognome=Brinch Hansen |nome=Per |wkautore=Per Brinch Hansen |titolo=Operating System Principles |annooriginale=1973 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=540365 |editore=Prentice Hall |città=Englewood Cliffs |paginep=496|isbn=0-13-637843-9 }}

* {{Cita pubblicazione|autore =[[Per Brinch Hansen]]|titolo = The evolution of operating systems|data = 2001|url= http://brinch-hansen.net/papers/2001b.pdf|formato = pdf|accesso = 24 ottobre 2006}} nel libro{{Cita libro | curatore-nome=Per | curatore-cognome=Brinch Hansen | titolo=Classic operating systems: from batch processing to distributed systems | anno=2001 | url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=360596&dl=ACM&coll=&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 | editore=Springer-Verlag | città= New York | paginepp=1-36 | capitolo=1 | urlcapitolo=http://brinch-hansen.net/papers/2001b.pdf | formato=pdf | isbn=0-387-95113-X }}

* {{Cita pubblicazione|autore =[[Per Brinch Hansen]]

|titolo = The evolution of operating systems

|data = 2001

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}} nel libro{{Cita libro | curatore-nome=Per | curatore-cognome=Brinch Hansen | titolo=Classic operating systems: from batch processing to distributed systems | anno=2001 | url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=360596&dl=ACM&coll=&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 | editore=Springer-Verlag | città= New York | pagine=1-36 | capitolo=1 | urlcapitolo=http://brinch-hansen.net/papers/2001b.pdf | formato=pdf | isbn=0-387-95113-X }}

* {{cita pubblicazione|cognome=Levin |nome=R. |coautori=E. Cohen, W. Corwin, F. Pollack, W. Wulf |anno=1975 |titolo=Policy/mechanism separation in Hydra |rivista=ACM Symposium on Operating Systems Principles / Proceedings of the fifth ACM symposium on Operating systems principles |pp=132-140 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=806531&dl=ACM&coll=&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 }}

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* {{Cita libro |cognome=Lorin |nome=Harold |titolo=Operating systems |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=578308&coll=GUIDE&dl=GUIDE&CFID=2651732&CFTOKEN=19681373 |anno=1981 |editore=Addison-Wesley |pp=161-186 |città=Boston, Massachusetts|isbn=0-201-14464-6 }}

* {{cita pubblicazione|cognome=Schroeder |nome=Michael D.|coautori=Jerome H. Saltzer |anno=1972 |mese=marzo|titolo=A hardware architecture for implementing protection rings |rivista=Communications of the ACM |volume=15 |numero=3 |pp=157-170 |issn=0001-0782 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=361275&dl=ACM&coll=&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 }}

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* {{cita pubblicazione |cognome=Wulf |nome=W. |coautori=E. Cohen, W. Corwin, A. Jones, R. Levin, C. Pierson, F. Pollack |anno=1974 |mese=giugno |titolo=HYDRA: the kernel of a multiprocessor operating system |rivista=Communications of the ACM |volume=17 |numero=6 |pp=337-345 |issn=0001-0782 |url=https://portal.acm.org/citation.cfm?id=36 |urlmorto=sì }}

** {{Cita pubblicazione| titolo = HYDRA:The Kernel of a Multiprocessor Operating System| autore1 = W. Wulf | autore2 = E. Cohen | autore3 = W. Corwin | autore4 = A. Jones | autore5 = R. Levin | autore6 = C. Pierson | autore7 = F. Pollack | lingua = en | url = https://research.cs.wisc.edu/areas/os/Qual/papers/hydra.pdf | formato = pdf | accesso = 12 ottobre 2022 | abstract = sì| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20220628141742/https://research.cs.wisc.edu/areas/os/Qual/papers/hydra.pdf | urlmorto = no }}

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