0

Ядра на компьютер

Ядро операционной системы

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011 года.

У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро.

Ядро́ (англ. kernel) — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Типы архитектур ядер операционных систем

Монолитное ядро

Основная статья: Монолитное ядро

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

  • Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей.
  • Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: Традиционные ядра UNIX (такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро

Основная статья: Модульное ядро

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Микроядро

Основная статья: Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.

  • Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.
  • Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.

  • Сервисные процессы (в принятой в семействе UNIX терминологии — «демоны») активно используются в самых различных ОС для задач типа запуска программ по расписанию (UNIX и Windows NT), ведения журналов событий (UNIX и Windows NT), централизованной проверки паролей и хранения пароля текущего интерактивного пользователя в специально ограниченной области памяти (Windows NT). Тем не менее, не следует считать ОС микроядерными только из-за использований такой архитектуры.

Примеры: Symbian OS; Windows CE; OpenVMS; Mach, используемый в GNU/Hurd и Mac OS X; QNX; AIX; Minix; ChorusOS; AmigaOS; MorphOS.

Экзоядро

Основная статья: Экзоядро

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро

Основная статья: Наноядро

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983 году.

Гибридное ядро

Основная статья: Гибридное ядро

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Windows семейства NT.

Комбинация разных подходов

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Так, например, сейчас ядро «Linux» представляет собой монолитную систему с отдельными элементами модульного ядра. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра — так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.

Существуют варианты ОС GNU, в которых вместо монолитного ядра применяется ядро Mach (такое же, как в Hurd), а поверх него крутятся в пользовательском пространстве те же самые процессы, которые при использовании Linux были бы частью ядра. Другим примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра.

Смешанное ядро, в принципе, должно объединять преимущества монолитного ядра и микроядра: казалось бы, микроядро и монолитное ядро — крайности, а смешанное — золотая середина. В них возможно добавлять драйвера устройств двумя способами: и внутрь ядра, и в пользовательское пространство. Но на практике концепция смешанного ядра часто подчёркивает не только достоинства, но и недостатки обоих типов ядер.

Технология Hyper-threading

Вы наверняка слышали или догадались из вышесказанного, что чем больше в процессоре ядер и гигагерц, тем он быстрее обрабатывает задачи, которые вы ему даете. Это правда. Но не только ядра влияют на производительность, если речь идет о продуктах бренда Intel.

Компания изобрела технологию под названием «Hyper-threading» (полное — hyper-threading technology, HT либо HTT), которое переводится на русский язык как гиперточность. Она разработана для процев, основанных на микроархитектуре NetBurst.

HT отсутствует в устройствах линейки Core 2, в том числе «Duo» и «Quad». Схожая технология с таким же наименованием внедрена в продуктах Core i3, «i7» и нескольких «i5», а также в некоторые модели серий Itanium и Atom.

Суть «Hyper-threading» заключается в том, что при выполнении задач операционная система определяет одно физическое ядро CPU как два логических. Как вы понимаете, HTT позволяет увеличить скорость работы устройства. И ему можно задавать больше команд одновременно. Более того, если одному логическому ядру дана задача, но он с ней не справляется, а второе при этом бездействует, то последнее помогает первому.

Более подробно об этом я писал тут: http://profi-user.ru/hyper-threading/

Сколько потоков имеет CPU?

Самый быстрый способ вычислить, сколько потоков содержится в том или ином процессоре — умножить количество ядер надвое (это только если ваш проц поддерживает гипер трэйдинг).

Но если вы не знаете число ядер и хотите определить, сколько потоков имеется в вашем ЦП прямо сейчас, вызовите Диспетчер задач путем зажатия клавиш Ctrl+Alt+Del. Дальнейшие действия зависят от версии операционки, которая у вас установлена.

  • Windows 7? Перейдите на вкладку «Быстродействие».
    Подсчитайте, сколько прямоугольников находится в верхнем ряду. Это число логических ядер, а они и являются потоками.
  • Вы пользуетесь Windows 8, 8.1 или 10? Обратитесь к вкладке «Производительность». Внизу есть строчки «Ядра» — это физические ядра. И ещё есть «Логические процессоры» — это и есть потоки, т.е. числа, которые вас интересуют.

Таким образом. На вышеизложенном скриншоте показан двух ядерный проц, с включенным гипертрэйдингом.

На случай, если у вас вдруг что-то не получилось с Диспетчером задач, есть еще один способ:

  • Зажмите на клавиатуре Win + R;

  • В появившемся окошке впишите команду msinfo32.exe и нажмите «ОК»;
  • В графе «Процессор» вы найдете необходимые данные.

Но тут будут показаны только сами ядра.

В принципе это всё, что я хотел, спасибо за внимание.

Подписывайтесь на наши обновления.

До скорого!

Процессор компьютера

Говоря простым языком, центральный процессор компьютера — это самая главная микросхема, которая обрабатывает информацию, перераспределяет ее, контролирует оперативную память, дает необходимые команды всем подключенным устройствам и компонентам системы. Именно он, вернее, его строение определяет архитектуру главной, материнской платы и всего компьютера в целом.

В этом определении заключается и ответ на вопрос, для чего нужен процессор, — для контроля и управлением над действиями, происходящими в системах и компонентах компьютера. Кроме центрального процессора, существуют и другие, локально размещенные чипы, например, в видео- и звуковых картах.

Кстати, один из распространенных вопросов, особенно у новичков, звучит так: «Как узнать, какой у меня процессор?» Ответ на него очень простой и найти эти сведения можно в системной информации операционной системы. К примеру, в Windows 7 для этого нужно щелкнуть правой клавишей мыши на значке «Компьютер», и в выпавшем контекстном меню выбрать пункт «Свойства». Основная информация о компьютере, в том числе, и модель процессора, будет отображена в открывшемся окне.

С развитием технологий растет и скорость обработки процессорами более сложных задач. Поэтому производители периодически пополняют перечень своей продукции, выпуская новые модели процессоров. Так у двух компьютерных гигантов, компаний AMD и Intel, существуют процессоры AMD Athlon X4, AMD FX-8350, Intel Core i5, Intel Core i7 и другие.

Состоят процессоры из следующих основных компонентов:

  • Контроллер оперативной памяти.
  • Интерфейс системной шины.
  • КЭШ-память, которая ускоряет обмен данных с оперативной.
  • Ядро процессора (или несколько ядер).

В зависимости от конкретной модели процессор может содержать различные функциональные блоки, определяющие его назначение.

Ядро процессора

Вот мы и подошли к еще одному вопросу: что такое ядро процессора.

Если сам процессор — это мозг компьютера, то его ядро — это мозг самого процессора. Возможно, несколько путано, но сейчас мы рассмотрим вопрос подробнее.

Ядро процессора выполняет все арифметические и логические операции, а также содержит все необходимые функциональные блоки, среди которых:

  • Блок работы с прерываниями — это, попросту говоря, возможность быстро и часто переключаться с выполнения одной задачи на другую.
  • Блок выборки инструкций — получает и направляет на дальнейшую обработку сигналы команд.
  • Блок декодирования — обрабатывает сигнал команд, определяет, что нужно сделать в данный момент, и нужны ли для этого дополнительные действия.
  • Управляющий блок — передает декодированные инструкции для дальнейшего выполнения в другие блоки, координирует нагрузку, подаваемую на них.
  • Блоки выполнения и сохранения результатов соответственно выполняют полученную команду и сохраняют в нужном месте результат.

Это краткое описание структуры ядра, более подробно о принципах его работы и способах ускорения можно почитать в других доступных материалах.

В разных процессорах может быть разное количество ядер. Это делается для того, чтобы компьютер мог выполнять параллельно несколько однотипных или напротив, разноплановых задач, увеличивая скорость их обработки и, соответственно, скорость их выполнения.

Как узнать, сколько ядер в процессоре? Есть два простых способа:

  1. Информация содержится в диспетчере устройств Windows. Нужно нажать кнопку «Пуск», далее выбрать «Панель управления». В открывшемся окне, среди прочих пунктов найти «Диспетчер устройств». Заходим в него, находим строчку «Процессоры», и нажимаем на нее. Выпавший список покажет нужные нам данные.
  2. Еще проще. Правой кнопкой мыши щелкаем внизу на панели быстрого запуска. Появится контекстное меню, в котором нужно выбрать «Запустить диспетчер задач». В появившемся окне выбираем «Быстродействие». В верхней части открывшегося окна вы увидите одно или несколько окон с графиками, подписанных «Хронология загрузки ЦП». Количество этих окон соответствует количеству ядер в процессоре.

admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *