Что такое наноядро ОС, их сущность и специфика. Примеры

Наноядро ОС — это примитивная составляющая операционной системы. Все мы знаем, что операционная система — это сложноструктурная программа, которая состоит из множества программных компонентов, работающих как единое целое. Каждый отдельный небольшой компонент системы выполняет определенную функцию и «общается» с другими компонентами и модулями. Из-за того что сложноструктурные программы разбиты на модули и компоненты, облегчается их обслуживание и совершенствование. К примеру, если есть потребность обновить наноядро ОС, тогда можно обновить код только наноядра и ближайших модулей, которые с ним взаимодействуют, но не код всей операционной системы.

Наноядро ОС

Каждая операционная система состоит из двух основных частей:

1. Ядро операционной системы. Компоненты ядра отвечают за самые главные системные задачи ОС, например распределение и выделение оперативной памяти и процессорного времени.

2. Программные компоненты. Эти компоненты системы отвечают за второстепенные задачи, например подключение периферийного оборудования: клавиатура, мышь, экран или воспроизведение медиаконтента и др.

Если разобраться, тогда становится ясным, что ядро операционной системы — это основной компонент, потому что все остальные компоненты напрямую связаны с ядром. Например, драйвер, который отвечает за подключение клавиатуры, является программным компонентом операционной системы. Но он абсолютно бесполезен, если в ОС будет отсутствовать ядро, потому что именно ядро отвечает за обработку сигналов от клавиатуры процессором компьютера. 

Ядро — это «сердце» операционной системы. Именно оно отвечает за общую функциональность и производительность ОС. Поэтому при проектировании операционной системы, всегда большая часть времени уделяется архитектуре ядра. Важно чтобы ядро было надежным, «быстрым» и многофункциональным. Из-за такого подхода в  разработке ядра ОС, сами ядра бывают разных структур и архитектур. Наноядро — это один из нескольких видов архитектур ядра операционной системы.

Что такое наноядро ОС?

Мы выяснили, что наноядро ОС — это вид архитектуры ядра операционной системы. Ядро выполняет самые важные задачи в операционной системе:

• распределяет, выделяет и высвобождает оперативную память;

• отвечает за выделение процессорного времени на обработку поставленных задач;

• отвечает за приоритет выполнения задач в операционной системе;

• отвечает за последовательность обработки команд в процессоре;

• несет ответственность за параллельное выполнение программ;

• и др.

В комплексе, мы можем заключить, что ядро одновременно выполняет много важных задач. Приставка «нано» обозначает что-то «маленькое». С математической точки зрения «нано» — это «одна миллиардная доля». Наноядро ОС — это не «одна миллиардная ядра», а означает такую структуру ядра ОС, при которой его функциональность сильно уменьшена. То есть наноядро отвечает не за все важные задачи ОС, а за одну конкретную задачу — оно обрабатывает аппаратные прерывания, которые генерируют другие компоненты компьютера.

Простой пример. Пользователь нажал на клавиатуре символ. От клавиатуры поступил сигнал, который был отправлен в наноядро. Наноядро ОС обработало сигнал и результат обработки отправляет дальше по цепочке. Если бы ядро операционной системы строилось по другой структуре, тогда за обработку сигнала от клавиатуры отвечал бы отдельный компонент ядра. А наноядро целиком отвечает за обработку сигналов.

На самом деле, такой примитивизм наноядра в некоторых случаях «играет на руку» разработчикам операционных систем и пользователям устройств из-за своих неоспоримых преимуществ. Например:

1. С помощью наноядер можно  виртуализировать аппаратное обеспечение. Это свойство позволяет  организовать совместную работу нескольких операционных систем на устройстве. Причем ОС в такой реализации могут работать «рядом друг с другом» или «одна система внутри другой». 

2. С помощью наноядер можно организовать независимую операционную систему. То есть наноядро позволяет создать ОС, которая будет работать на любом «железе», независимо от его аппаратного или программного состава. Таким образом современную операционную систему можно запустить на старом «железе», на котором современные ОС с традиционными структурами ядер просто не запустятся. То есть наноядра позволяют создать легко переносимую операционную систему. По такому пути в 90-х годах пошла компания Apple. Она создала версию Mac OS Classic на основе наноядра, которая запускалась на устройствах с процессорами PowerPC и Motorola 680x0. На тот момент компания Apple производила компьютеры с разными процессорами, что добавляло трудности для реализации программного обеспечения, потому что ОС, которая работала на устройствах  с новыми процессорами, отказывалась работать на устройствах со старыми процессорами. А обновлять ОС нужно было и на тех, и на других устройствах. Эту проблему удалось решить с применением операционной системы на основе наноядер.

3. Наноядра позволяют организовать программную экосистему. В IT-индустрии есть примеры, когда компания разрабатывает собственное независимое наноядро, которое может запуститься на «голом» железе или внутри других операционных систем. Далее эта компания формирует экосистему собственных программных продуктов, которые могут обрабатываться только собственным наноядром. По такому принципу реализованы утилиты Vмware.

Заключение

Наноядро в ОС  выполняет какую-то простую определенную задачу и не рассчитано для одновременной обработки большого количества задач. Наноядра не имеют широкого применения при разработке операционных систем, потому что современная ОС должна выполнять много сложных задач. Поэтому если ее полностью формировать из наноядер, тогда получится сильно «раздутая» и усложненная структура самой операционной системы. Но в ряде случаев, замены наноядру просто не существует, например, как мы уже писали, когда нужно запустить современную ОС на старом «железе».