Vad är en kärna?

Kärnan är hjärtat i ett operativsystem, den del som finns mellan dina appar och din hårdvara. Den hanterar datorns resurser (CPU, minne, lagring, enheter) och tillhandahåller ett säkert och konsekvent sätt för programvaran att använda dem. Tänk på den som en trafikpolis och översättare som ser till att allt flyter på utan kollisioner.

På hög nivå, kärnan:

• Scheman fungerar. Bestämmer vilket program som får CPU-tid och när.
• Hanterar minnet. Håller varje apps data separata och fördelar RAM-minnet efter behov.
• Hanterar enheter och filer. Kommunicerar med drivrutiner för din GPU, SSD, nätverkskort och filsystem.
• Medierar I/O. Läser och skriver filer och nätverksdata åt appar.
• Säkerställer säkerheten. Separerar användarläget (appar) från kärnläget (operativsystemets kärna) så att en buggig app inte kan krascha hela systemet.

Inte riktigt. ”Operativsystem” omfattar vanligtvis kärnan plus verktyg och tjänster i användarutrymmet (skal, bibliotek, skrivbordsmiljöer, bakgrundstjänster etc.). I vardagligt tal blandar man ofta ihop begreppen, men strängt taget är kärnan bara den privilegierade kärnan som allt annat bygger på.

När en app behöver spara en fil eller skicka ett nätverkspaket gör den ett systemanrop, en kontrollerad begäran som övergår från användarläge till kärnläge. Kärnan kontrollerar behörigheter, vidarebefordrar begäran till rätt delsystem eller drivrutin och returnerar resultatet till appen. Denna gräns skyddar apparna från varandra och från hårdvarans skarpa kanter.

Ja. Du kommer att se några övergripande designlösningar diskuteras:

• Monolitiska kärnor samlar kärntjänster och många drivrutiner. (Exempel: Linux-kärnan.)
• Mikrokärnor håller kärnan liten och flyttar fler tjänster utanför kärnan för isolering.
• Hybrid- eller modulära tillvägagångssätt blandar idéer praktiska system drar ofta komponenter in i eller ut ur kärngränsen för prestanda eller säkerhet.

Alla dessa har samma mål: tillförlitlig, snabb kontroll av hårdvara. (Apples XNU kombinerar till exempel en Mach-mikrokärna med ett BSD-lager; Windows dokumenterar en skiktad kärnarkitektur.)

Det beror på vilken plattform du använder:

• Windows/macOS: Kärnuppdateringar levereras som en del av de normala operativsystemuppdateringarna.
• Linux och många servrar/enheter: Kärnan är ett separat paket som du kan uppdatera via din distribution eller leverantör. Kärnor med långsiktigt stöd (LTS) byter nya funktioner mot stabilitet.

Uppdateringen ger hårdvarustöd, prestandaförbättringar och säkerhetskorrigeringar, men på produktionssystem testar man vanligtvis först.

Mycket kort version: firmware/UEFI körs först, bootloadern laddar kärnan till minnet, kärnan initialiserar hårdvara och drivrutiner, monterar lagringsutrymmet och startar sedan den första användarprocessen som startar resten av systemet. Därefter schemalägger den kontinuerligt arbete och hanterar I/O i bakgrunden.

Absolut. Android-telefoner, spelkonsoler, routrar och smarta TV-apparater kör oftast någon form av operativsystem med en kärna under huven. Konceptet gäller inte bara stationära och bärbara datorer.

Om något går fel inuti kärnan (till exempel ett kritiskt drivrutinsfel) stannar operativsystemet ofta upp istället för att riskera att data skadas. Unix-liknande system rapporterar en kernel panic; Windows visar ett stoppfel (den ”blå skärmen”). Det är dramatiskt, men det är en sista säkerhetsåtgärd som skyddar dina filer.

• Kärnan är operativsystemets privilegierade kärna som hanterar CPU, minne, enheter och I/O.
• Appar interagerar med det via systemanrop över gränsen mellan användarläge och kärnläge.
• Olika kärnkonstruktioner (monolitisk, mikrokärna, hybrider) balanserar prestanda, isolering och underhållsbarhet.

• Användarutrymme/kärnutrymme: Områden där vanliga appar respektive kärnan körs.
• Systemanrop (syscall): Den kontrollerade ingångspunkten från appar till kärntjänster.
• Drivrutin: Kernel- eller användarutrymmeskomponent som vet hur man använder en specifik enhet.
• Schemaläggare: Kernelkomponent som bestämmer vilken tråd som ska köras härnäst.
• Virtuellt minne: Kärnfunktion som ger varje process sitt eget adressutrymme.
• Bootloader: Program som laddar kärnan till minnet vid uppstart.
• Kernel panic / stop error: Ett allvarligt fel i kernelläget som stoppar systemet för att förhindra skador.