Un noyau est le composant central d'un le système d'exploitation, agissant comme un pont entre les systèmes matériel et logiciels. Le noyau gère les ressources système et facilite les interactions entre les composants matériels et logiciels.
Le noyau est responsable des tâches critiques telles que la gestion de la mémoire, la planification des tâches (décider quels processus utiliseront le Unité centrale de traitement (CPU) et pendant combien de temps), la gestion des appareils et la gestion des appels système des processus exécutés sur l'ordinateur. Le noyau fournit une couche d'abstraction entre le matériel et les programmes d'application, permettant aux développeurs de logiciels d'écrire des programmes sans avoir besoin de comprendre les spécificités du matériel sous-jacent.
Une brève histoire du noyau
Le développement du noyau, cœur de tout système d’exploitation, remonte aux débuts de l’informatique. Au départ, les ordinateurs n’avaient pas de système d’exploitation et les programmeurs interagissaient directement avec le matériel via le langage machine. À mesure que l'informatique évoluait, la nécessité d'une gestion plus efficace des ressources matérielles s'est fait sentir, ce qui a conduit au développement des premiers systèmes d'exploitation de base et, avec eux, du concept de noyau.
Dans les années 1960, le projet Multics, une collaboration entre le MIT, les Bell Labs et General Electric, visait à créer un système d'exploitation en temps partagé. Bien que Multics ait introduit de nombreux concepts fondamentaux pour les systèmes d’exploitation modernes, il était considéré à l’époque comme trop complexe et ambitieux. Cependant, il a jeté les bases du développement de UNIX à la fin des années 1960 et au début des années 1970 par Ken Thompson, Dennis Ritchie et d'autres aux Bell Labs.
La conception plus simple d'UNIX et son noyau sont devenus influents dans le domaine des systèmes d'exploitation. Le GNU Le projet, lancé par Richard Stallman en 1983, visait à créer un système d'exploitation libre de type UNIX, qui a finalement conduit au développement du noyau Linux par Linus Torvalds en 1991. Le noyau Linux, combiné aux outils GNU, a formé le système d'exploitation Linux. , largement utilisé aujourd'hui dans servers, ordinateurs de bureau et systèmes embarqués.
Le développement par Microsoft du noyau Windows NT à la fin des années 1980 et au début des années 1990 a introduit une architecture de noyau hybride, qui a servi de base à toutes les versions ultérieures de Windows.
Au fil des années, les noyaux ont évolué pour prendre en charge une large gamme de matériels et fournir des environnements d'exploitation plus robustes, sécurisés et efficaces. Les progrès en matière de virtualisation, de traitement en temps réel et de sécurité ont encore élargi le rôle et la complexité des noyaux dans les environnements informatiques modernes, renforçant ainsi le rôle essentiel du noyau dans la liaison entre le matériel et les logiciels.
À quoi sert le noyau ?
Le noyau, en tant que composant central d'un système d'exploitation, remplit plusieurs rôles fondamentaux qui lui permettent de gérer les ressources du système et d'assurer le bon fonctionnement de l'ordinateur. Ses principales utilisations comprennent :
- La gestion des processus. Le noyau contrôle l'exécution des processus, gère leurs états (en cours d'exécution, en attente, etc.), planifie leur accès au CPU et gère le changement de contexte entre les processus. Cela garantit que les applications peuvent s'exécuter simultanément sans interférer les unes avec les autres, optimisant ainsi la réactivité et l'efficacité du système.
- Gestion de la mémoire. Il supervise l'allocation et la désallocation des espaces mémoire pour les processus et le système d'exploitation lui-même. Le noyau garantit que chaque processus a accès à la mémoire dont il a besoin, il gère la mémoire virtuelle pour étendre la mémoire physique avec du stockage sur disque et protège l'espace mémoire des processus les uns des autres, empêchant tout accès non autorisé.
- Gestion d'appareils. Le noyau agit comme intermédiaire entre les composants logiciels et matériels. Il comprend des pilotes qui facilitent la communication avec les périphériques matériels, tels que le clavier, la souris, les lecteurs de disque et les imprimantes, traduisant les requêtes logicielles en actions matérielles et vice versa.
- Gestion du système de fichiers. Il est responsable de la gestion des fichiers, fournissant un moyen structuré de stocker, récupérer et gérer les données sur les périphériques de stockage. Le noyau implémente les opérations du système de fichiers telles que la création, la suppression, la lecture et l'écriture de fichiers et de répertoires, ainsi que la gestion des autorisations et la garantie intégrité des données.
- Networking. Le noyau gère les complexités de la mise en réseau en gérant la transmission et la réception des données sur les interfaces réseau. Il met en œuvre des protocoles de communication sur les réseaux locaux et Internet, permettant aux processus de communiquer entre eux et avec d'autres systèmes.
- Sécurité et contrôle d'accès. Le noyau applique des politiques de sécurité et des mécanismes de contrôle d'accès pour protéger l'intégrité et la confidentialité du système. Il contrôle l'accès aux fichiers, appareils et autres ressources, garantissant que seuls les utilisateurs et processus autorisés peuvent effectuer certaines opérations, atténuant ainsi le risque d'activités malveillantes.
Où se trouve le noyau ?
En tant que composant central du système d'exploitation, le noyau se situe directement au-dessus de la couche matérielle, fournissant une couche d'abstraction critique entre le matériel et les logiciels exécutés sur l'ordinateur. Il est généralement situé dans le système de fichiers dans un filet ou un ensemble de fichiers spécifiques au système d'exploitation. Par exemple, sous Linux, l'image du noyau se trouve souvent à l'emplacement /boot/vmlinuz ou un chemin similaire, ainsi que d'autres fichiers nécessaires au processus de démarrage du système.
Au démarrage de l'ordinateur, le noyau est chargé dans la mémoire (RAM) à partir du périphérique de stockage persistant (par exemple, disque dur, SSD). La bootloader charge le noyau en mémoire, et une fois chargé, le noyau y reste pendant que l'ordinateur fonctionne, gérant les ressources système et les interactions entre le matériel et les logiciels.
La transition du stockage vers la mémoire permet au noyau de gérer efficacement le système, en traitant les requêtes des applications logicielles et en gérant les ressources telles que le temps processeur, la mémoire et les périphériques. Ce processus de chargement garantit que le noyau peut fournir l'abstraction nécessaire pour que les logiciels de niveau supérieur puissent interagir avec le système sans connaître les spécificités du matériel.
Types de noyau
Voici un aperçu des différents types de noyau, de leurs avantages et de leurs limites.
Noyau monolithique
Avec ce type d'architecture système, l'ensemble du système d'exploitation, y compris les fonctionnalités de base, les pilotes de périphériques, la gestion du système de fichiers et les piles réseau, s'exécute dans un seul espace mémoire, offrant une efficacité élevée et un accès direct aux ressources matérielles.
Avantages
- Hautes performances grâce à l'exécution dans un seul espace d'adressage.
- Communication inter-processus efficace.
- Accès direct et rapide aux ressources matérielles.
- Large prise en charge du matériel et des appareils grâce à un développement mature.
- Ensemble complet de fonctionnalités intégrées au noyau.
Inconvénients
- Complexité dans la maintenance et la mise à jour du code du noyau.
- Potentiel plus élevé de pannes du système et de vulnérabilités de sécurité.
- Difficile d'isoler les composants défectueux, affectant la stabilité du système.
- Des noyaux de plus grande taille peuvent entraîner des inefficacités.
- Les mises à jour ou modifications modulaires peuvent nécessiter un redémarrage complet du système.
Micro-noyau
Ce type de noyau inclut uniquement les services système les plus fondamentaux, tels que la communication entre les processus et la gestion matérielle de base, tandis que d'autres services s'exécutent dans l'espace utilisateur pour améliorer la modularité et la sécurité du système.
Avantages
- Sécurité et stabilité améliorées grâce à l’isolation des composants du système.
- Plus facile à maintenir et à mettre à jour les composants individuels sans affecter l’ensemble du système.
- Plus grand flexcapacité en termes de remplacement ou de modification de composants.
- Convient pour une utilisation dans des systèmes nécessitant une fiabilité et une disponibilité élevées.
- Une conception simplifiée entraîne moins de bugs et de vulnérabilités.
Inconvénients
- Performances inférieures à celles des noyaux monolithiques en raison de la surcharge de communication inter-processus.
- Architecture système plus complexe, ce qui peut compliquer le développement et le débogage.
- Potentiel d’augmentation de la latence des appels système, impactant les applications sensibles au facteur temps.
- Le développement et l’optimisation peuvent nécessiter plus d’efforts et d’expertise.
- Prise en charge limitée du matériel et des logiciels existants par rapport à certains noyaux monolithiques.
Noyau hybride
Une architecture système à noyau hybride combine les éléments des monolithiques et des micro-noyaux, exécutant certains services dans l'espace du noyau pour plus de performances tout en en gardant d'autres dans l'espace utilisateur pour une meilleure modularité et sécurité.
Avantages
- Performances efficaces dans de nombreux scénarios.
- Flexcapacité à exécuter des services utilisateur et des pilotes dans l'espace utilisateur ou dans l'espace noyau.
- Meilleure compatibilité matérielle et applicative.
- Stabilité et sécurité du système améliorées par rapport aux noyaux monolithiques.
- La conception modulaire facilite les mises à jour et la maintenance de certains composants.
Inconvénients
- Plus complexe à concevoir et à mettre en œuvre que les monolithiques ou les micro-noyaux.
- Potentiel d’augmentation de la surcharge du système et de la latence dans la communication entre l’espace utilisateur et l’espace noyau.
- Risques de sécurité si les services de l'espace utilisateur interagissent étroitement avec les services du noyau.
- Peut hériter des inconvénients des architectures monolithiques et micronoyaux, en fonction de la mise en œuvre.
- Un compromis entre performances et modularité peut conduire à des inefficacités.
exokernel
Ce type de noyau permet aux applications d'avoir un accès plus direct aux ressources matérielles en minimisant le rôle du noyau dans la gestion des ressources. Cette approche réduit la surcharge de la couche d'abstraction et fournit plus flexabilité et efficacité dans la façon dont les applications interagissent avec le matériel du système.
Avantages
- Performances améliorées grâce à moins d’abstraction et de surcharge.
- Plus grand flexpossibilité pour les applications d’optimiser l’utilisation des ressources.
- Permet des optimisations et des personnalisations spécifiques à l'application.
- Encourage l’innovation en permettant de nouvelles structures de système d’exploitation.
- Multiplexage efficace des ressources matérielles entre plusieurs environnements.
Inconvénients
- Complexité accrue dans le développement d’applications.
- Risques de sécurité potentiellement plus élevés en raison de l’accès plus étroit des applications au matériel.
- Problèmes de compatibilité entre les applications conçues pour différents systèmes basés sur un exokernel.
- Moins d'isolement entre les applications, pouvant entraîner des problèmes de stabilité.
Nanonoyau
Un nano-noyau est une approche encore plus minimaliste de la conception de systèmes d'exploitation par rapport aux micro-noyaux et aux exokernels. Il se concentre sur la fourniture uniquement des fonctionnalités nécessaires à la gestion des ressources matérielles et à la facilitation des services système minimaux.
Avantages
- Conception minimaliste, conduisant à une surcharge système potentiellement réduite.
- Sécurité renforcée grâce à la réduction surface d'attaque.
- Stabilité et fiabilité améliorées, car moins de fonctions s'exécutent en mode noyau.
- Plus facile à maintenir et à mettre à jour grâce à la simplicité.
- Crée une meilleure séparation des préoccupations, avec des distinctions claires entre les services système et applicatifs.
- Potentiellement mieux adapté aux applications en temps réel en raison de la longueur réduite des chemins de code du noyau.
Inconvénients
- Augmentation de la surcharge des appels système, car davantage d’opérations nécessitent une communication inter-processus.
- Potentiel de performances inférieures en raison de la surcharge de communication entre l'espace utilisateur et l'espace noyau.
- Complexité du développement d'applications, car les développeurs doivent gérer davantage de tâches au niveau du système.
- Les fonctionnalités limitées du noyau nécessitent des mécanismes supplémentaires pour étendre les capacités du système.
- Il est plus difficile d'obtenir des performances optimales des pilotes de périphérique, car les pilotes peuvent s'exécuter dans l'espace utilisateur.
- Difficile d’assurer la compatibilité et l’interopérabilité avec les logiciels et systèmes existants.
Mode noyau et mode utilisateur
Le mode noyau et le mode utilisateur représentent deux états de fonctionnement distincts au sein d'un système informatique, chacun avec son propre niveau d'accès et de contrôle sur les ressources matérielles.
Le mode noyau, également appelé mode superviseur, accorde au noyau un accès complet à tout le matériel et à la mémoire du système. Ce mode permet au noyau d'effectuer des tâches critiques de bas niveau, telles que la gestion de la mémoire, l'exécution d'instructions matérielles et la gestion des interruptions. Étant donné que le code en mode noyau peut interagir directement avec le matériel et le contrôler, il fonctionne avec le plus haut niveau de confiance et d'autorité au sein du système. Cet accès illimité est nécessaire au noyau pour gérer le système efficacement, mais présente également un risque car tout bug ou vulnérabilité de sécurité en mode noyau peut entraîner une instabilité ou une compromission du système.
À l’inverse, le mode utilisateur est un mode restreint dans lequel la plupart des applications et logiciels s’exécutent. Dans ce mode, l'accès au matériel et aux ressources système critiques est assuré par le noyau via des appels système. Le mode utilisateur fournit un environnement protégé qui limite l'accès direct d'une application au matériel, protégeant ainsi le système contre les logiciels malveillants ou défectueux. Si une application en mode utilisateur plante ou rencontre une erreur, cela est moins susceptible de provoquer une panne généralisée du système, car le noyau peut souvent gérer ou isoler le problème.
La séparation entre les modes utilisateur et noyau est fondamentale pour les systèmes d'exploitation modernes, fournissant une limite de sécurité et garantissant la stabilité. Le système d'exploitation contrôle soigneusement la transition du mode utilisateur au mode noyau et inversement, permettant un équilibre entre les performances du système et la sécurité.
