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Lucas Silva Coelho

Em computação, o núcleo ou kernel é o componente central do sistema operacional da maioria dos computadores; O kernel é o intermediador entre aplicativos e o processamento de dados feito a nível de hardware. As responsabilidades deste núcleo incluem gerenciar os recursos do sistema (a comunicação entre componentes de hardware e software). Geralmente como um componente básico do sistema operativo, um núcleo pode oferecer a camada de abstração de nível mais baixo para os recursos (especialmente processadores e dispositivos de entrada/saída) que softwares aplicativos devem controlar para realizar sua função. Ele tipicamente torna estas facilidades disponíveis para os processos de aplicativos através de mecanismos de comunicação entre processos e chamadas de sistema operacional.

Tarefas de sistemas operacionais são feitas de maneiras diferentes por núcleos diferentes, dependendo do seu desenho e abordagem. Enquanto núcleos monolíticos tentam alcançar seus objetivos executando todos os códigos de sistema no mesmo espaço de endereçamento para aumentar a performance do sistema, micronúcleos executam a maioria dos serviços do sistema no espaço de usuário como servidores, buscando melhorar a manutenção e a modularidade do sistema operativo.

O principal propósito do núcleo é gerenciar os recursos do computador e permitir que outros programas executem e usem destes recursos. Tipicamente estes recursos consistem de:

- A unidade de processamento central (CPU, ou processador). Esta é a parte mais central de um sistema de computação, responsável por rodar ou executar programas nele. O núcleo tem a responsabilidade de decidir, em qualquer momento, qual dos programas em execução deve ser alocado para o processador ou processadores (cada um dos quais geralmente pode executar um programa por vez) a memória. A memória é usada para armazenar ambos instruções do programa e dados. Tipicamente, ambos precisam estar presentes na memória de modo a tornar a execução do programa possível. Frequentemente múltiplos programas buscarão acesso à memória ao mesmo tempo, na maioria das vezes exigindo mais memória do que o computador pode disponibilizar. O núcleo é responsável pela decisão de que memória cada processo pode utilizar, e determinar o que fazer quando menos do suficiente está disponível. Qualquer dispositivo de entrada e saída presente no computador, tais como teclado, mouse, entradas de disquete, impressoras, telas, etc. O núcleo aloca pedidos de aplicativos para realizar entrada/saída para um dispositivo apropriado (ou subseção de um dispositivo, no caso de arquivos em um disco ou janelas em uma tela) e fornece métodos convenientes para o uso do dispositivo (tipicamente abstraído ao ponto onde o aplicativo não precisa mais conhecer os detalhes da implementação do dispositivo). Aspectos importantes no gerenciamento de recursos são a definição de um domínio de execução (espaço de endereçamento) e o mecanismo de proteção utilizado para mediar o acesso a recursos dentro de um domínio.

Núcleos geralmente não oferecem métodos para sincronização e comunicação entre processos.

Um núcleo pode implementar estes recursos ele mesmo, ou depender de alguns processos que ele executa para fornecer estas facilidades a outros processos, no entanto neste caso ele deve oferecer algum modo do IPC permitir que processos acessem as facilidades fornecidas um pelo outro.

Finalmente, um núcleo deve oferecer um método de acesso a estas facilidades para os programas em execução.

• Gerenciamento de Processos

A principal tarefa de um núcleo é permitir a execução de aplicativos e ajudá-los com recursos como abstrações de hardware. Um processo define que porções da memória o aplicativo pode acessar. (Para esta introdução, processo, aplicativo e programa são usados como sinônimos.) O gerenciamento de processos do núcleo deve levar em conta o equipamento de hardware embarcado para proteção de memória.

Para rodar um aplicativo, um núcleo geralmente cria um espaço de endereçamento para o aplicativo, carrega o arquivo contendo de instruções do programa na memória (talvez via paginação por demanda), cria uma pilha para o programa e ramos para uma dada localização dentro do programa, iniciando, portanto a sua execução.

Núcleos multitarefa são capazes de dar ao usuário a ilusão de que um número de processos que esta rodando simultaneamente no sistema é maior do que o número de processos que aquele sistema é fisicamente capaz de rodar simultaneamente. Usualmente, o número de processos que um sistema pode rodar simultaneamente é igual o número de CPUs que ele possui instaladas (no entanto, isto pode não ser o caso de processadores que suportam múltiplas linhas de execução simultâneas).

Em um sistema multitarefas preemptivo, o núcleo dará a todos programas uma parcela do tempo e vai alternar de processo a processo tão rapidamente que dará ao usuário a impressão de como se os processos estivessem sendo executados simultaneamente. O núcleo utiliza algoritmos de escalonamento para determinar qual processo será executado a seguir e quanto tempo lhe será dado. O algoritmo escolhido pode permitir que alguns processos tenham uma prioridade mais alta que muitos outros. O núcleo geralmente também provê a esses processos uma maneira de comunicarem-se; isto é chamado comunicação entre processos (IPC (em inglês)) e as principais implementações são memória compartilhada, troca de mensagens e chamadas de procedimento remoto (veja computação concorrente).

Outros sistemas (particularmente em computadores menores, menos potentes) podem fornecer multitarefa de cooperação, em que cada processo é permitido rodar sem ininterruptamente até que ele faça uma requisição especial que avisa ao núcleo que ele pode alternar para outro processo. Tais requisições são conhecidos como “indulgências” (yielding(em inglês), e tipicamente ocorrem em resposta a um pedido para comunicação entre processos, ou para esperar até o acontecimento de um evento. Versões mais antigas de ambos Microsoft Windows e Mac OS utilizaram o conceito de multitarefa cooperativa, mas alternaram para esquemas preemptivos conforme a potência dos computadores alvo de seu mercado aumentava[carece de fontes].

O sistema operativo pode também suportar o multiprocessamento (multiprocessamento simétrico (SMP (em inglês)), ou, acesso não-uniforme a memória); neste caso, diferentes programas e linhas de execução podem rodar em diferentes processadores. Um núcleo para tal sistema deve ser projetado para ser reentrante, o que significa que ele pode rodar seguramente duas partes de seu código simultaneamente. Isto tipicamente significa oferecer mecanismos de sincronização (como trava-giros) para assegurar que dois processadores não tentarão modificar os mesmos dados ao mesmo tempo.

• Gerenciamento de Memória

O núcleo possui acesso completo a memória do sistema e deve permitir que processos acessem a memória com segurança conforme a sua necessidade. Frequentemente o primeiro passo para isso é o endereçamento virtual, geralmente alcançado através da paginação e/ou segmentação. Endereçamento virtual permite ao núcleo fazer com que um dado endereço físico pareça ser outro endereço, o endereço virtual. Espaços de endereço virtual podem ser diferentes para diferentes processos; a memória que um processos acessa em um endereço (virtual) particular pode ser diferente da que um outro processo acessa pelo mesmo endereço. Isto permite a todos programas funcionar como se ele fosse o único em execução, além do núcleo, e por isso evita que aplicativos travem uns aos outros.

Em vários sistemas, o endereço virtual de um programa pode se referir a dados que não estão na memória atualmente. A cama de indireção oferecida pelo endereçamento virtual permite que o sistema utilize meios de armazenagem de dados, como um disco rígido, para armazenar o que de outro modo teria que permanecer na memória (RAM(em inglês)). Como resultado. sistemas operativos podem permitir que programas usem mais memória do que está fisicamente disponível. Quando um programa precisa de dados que não estão na RAM, a CPU avisa o núcleo que isto ocorre, e o núcleo responde escrevendo o conteúdo de um bloco de memória inativo para o disco (se necessário), e substituindo-o na memória com os dados requisitados pelo programa. O programa pode então continuar sua execução do ponto em que foi suspenso. Este esquema é geralmente conhecido como paginação por demanda.

Endereçamento virtual também permite a criação de partições virtuais de memória em duas áreas separadas, uma sedo reservada para o núcleo (espaço de núcleo) e o outro para os aplicativos (espaço de usuário). Os aplicativos não tem permissão do processador para acessar a memória do núcleo, portanto prevenindo que um aplicativo possa danificar o núcleo em execução. Esta partição fundamental de espaço de memória contribuiu muito para os projetos de núcleos realmente de propósito geral e é quase universal em tais sistemas, embora algumas núcleos de pesquisa (ex. Singularity) usarem outros métodos.

• Gerenciamento de dispositivos

Para realizar funções úteis, processos precisam acessar periféricos conectados ao computador, que são controlados pelo núcleo através do driver do dispositivo. Por exemplo, para mostrar ao usuário algo utilizando a tela, um aplicativo teria que fazer um requisição ao núcleo que encaminharia a requisição para o seu driver de tela, que é responsável por realmente tracejar os carácteres/pixeis.

Um núcleo deve manter uma lista de dispositivos disponíveis. Esta lista pode ser conhecida de antemão (ex. em um sistema embarcado onde o núcleo será reescrito se o hardware disponível mudar), configurado pelo usuário (típico em computadores pessoais antigos e em sistemas projetados para uso pessoal) ou detectado pelo sistema durante a execução (normalmente chamado Ligar e Usar).

Num sistema “Ligar e Usar”, um dispositivo realiza primeiro uma sondagem nos diferentes barramentos de hardware, como Interconector de Componentes Periféricos (PCI(em inglês)) ou Barramento Serial Universal (USB(em inglês)), para detetar os dispositivos instalados, depois procura os drivers apropriados.

Como a gestão de dispositivos é uma tarefa muito especifica do SO, os drivers são manipulados de forma diferente pelo tipo de arquitetura do núcleo, mas em todos os casos, o núcleo tem que fornecer a entrada/saída para permitir que os drivers acedam fisicamente seus dispositivos através alguma porta ou localização da memória. Decisões muito importantes precisam ser feitas ao projetar o sistema de gestão de dispositivos, já que em alguns projetos de acesso podem envolver trocas de contexto , tornando a operação custosa para o processador e causando um gasto excessivo de recursos.[carece de fontes]

• Chamadas do Sistema

Para realmente realizar algo útil, um processo deve acessar os serviços oferecidos pelo núcleo. Isto é implementado por cada núcleo, mas a maioria oferece uma Biblioteca padrão do C ou uma Interface de programação de aplicativos, que envolve as funções relativas ao núcleo.

O método de invocar as funções do núcleo varia de núcleo para núcleo. Se o isolamento de memória está sendo usado, é impossível para um processo de usuário chamar o núcleo diretamente, por que isso seria uma violação das regras de controle de acesso do processador. Algumas possibilidades são:

Usar uma interrupção de software simulada. Este método está disponível na maioria dos hardwares, e é, portanto, muito comum. Usando um portão de chamada. Um portão de chamada é um endereço especial armazenado pelo núcleo em uma lista na memória do núcleo em uma localização conhecida pelo processador. Quando o processador detecta uma chamada para este endereço, ele ao invés disso redireciona para a localização alvo sem causar nenhuma violação de acesso. Exige suporte no hardware, mas este tipo de hardware é muito comum. Usando uma instrução de chamada de sistema especial. Esta técnica exige suporte especial no hardware, que em algumas arquiteturas habituais não possuem (notavelmente, x86). Instruções de chamadas de sistema foram adicionadas a modelos recentes do processadores x86, embora, poucos (mas não todos) sistemas operativos fazem uso destes quando disponíveis. Usando uma fila baseada na memória. Um aplicativo que faz um grande número de requisições mas não precisa esperar o resultado de cada uma pode adicionar detalhes das requisições em uma área da memória que o núcleo sonda periodicamente para encontrar requisições.

1. Uma introdução aos sistemas operacionais (2ª ed.) - Traduzido: Google Translate
2. Por que não inovações na arquitetura de computadores? - Traduzido: Google Translate
3. O desempenho de sistemas baseados em kernel-µ - Traduzido Google Translate
4. Intel Corporation