Un noyau de système d’exploitation, ou simplement noyau, ou en anglais http://www.merriam-webster.com/dictionary/kernel., est une des parties fondamentales de certains systèmes d’exploitation. Il gère les ressources de l’ordinateur et permet aux différents composants — matériels et logiciels — de communiquer entre eux.
En tant que partie du système d’exploitation, le noyau fournit des mécanismes d’abstraction du matériel, notamment de la mémoire, du (ou des) processeur(s), et des échanges d’informations entre logiciels et périphériques matériels. Le noyau autorise aussi diverses abstractions logicielles et facilite la communication entre les processus.
Le noyau d’un système d’exploitation est lui-même un logiciel, mais ne peut cependant pas utiliser tous les mécanismes d’abstraction qu’il fournit aux autres logicielsDiverses raisons empêchent l’utilisation par le noyau des mécanismes d’abstraction qu’il fournit ; entre autres causes, la gestion des interruptions, l’espace d’adressage et la non réentrance.. Son rôle central impose par ailleurs des performances élevées. Cela fait du noyau la partie la plus critique d’un système d’exploitation et rend sa conception et sa programmation particulièrement délicates. Plusieurs techniques sont mises en œuvre pour simplifier la programmation des noyaux tout en garantissant de bonnes performances.
Étymologie
En anglais, le mot « kernel » désigne le cerneau, la partie comestible de la noix, c'est-à-dire son cœur.Une noix, qu’y a-t-il à l’intérieur d’une noix ? , sur desfleursanotreporte.com.. À l'inverse, la coque (partie non comestible de la noix) est une enveloppe très dure qui entoure la partie comestible. En anglais cette coque est appelée « shell ».
Cette analogie permettait de comprendre que .
La dualité illustre bien le rapport entre le kernel et le shell et constitue un paradigme aisément extensible à l'ensemble de l'informatique. Celui-ci peut être aussi compris comme une succession d'étapes permettant de diffuser entre chaque niveau l'ensemble des apports de celui qui le précède pour servir une information de plus en plus enrichie mais également, à chaque niveau, partagée de façon différente : .
Généralités
En informatique, le noyau d’un système d’exploitation est le logiciel qui assure : la communication entre les logiciels et le matériel ; la gestion des divers logiciels (tâches) d’une machine (lancement des programmes, ordonnancement…) ; la gestion du matériel (mémoire, processeur, périphérique, stockage…).
La majorité des systèmes d’exploitation est construite autour de la notion de noyau. L’existence d’un noyau, c’est-à-dire d’un programme unique responsable de la communication entre le matériel et le logiciel, résulte de compromis complexes portant sur des questions de performance, de sécurité et d’architecture des processeurs.
L’existence d’un noyau présuppose Andrew Tanenbaum, , Prentice Hall, éd. , chapitre 1,3 - 1,4 - 4. une partition virtuelle de la mémoire vive physique en deux régions disjointes, l’une étant réservée au noyau (l’espace noyau) et l’autre aux applications (l’espace utilisateur). Cette division, fondamentale, de l’espace mémoire en un espace noyau et un espace utilisateur contribue beaucoup à donner la forme et le contenu des actuels systèmes généralistes (GNU/Linux, Windows, Mac OS X), le noyau ayant de grands pouvoirs sur l’utilisation des ressources matérielles, en particulier de la mémoire. Elle structure également le travail des développeurs : le développement de code dans l’espace noyau est a priori plus délicat que dans l’espace utilisateur car la mémoire n’y est pas protégée. Ceci implique que des erreurs de programmation, altérant éventuellement les instructions du noyau lui-même, sont potentiellement beaucoup plus difficiles à détecter que dans l'espace utilisateur où de telles altérations sont rendues impossibles par le mécanisme de protection.
Le noyau offre ses fonctions (l’accès aux ressources qu’il gère) au travers des appels système. Il transmet ou interprète les informations du matériel via des interruptions. C’est ce que l’on appelle les entrées et sorties.
Diverses abstractions de la notion d’application sont fournies par le noyau aux développeurs. La plus courante est celle de processus (ou tâche). Le noyau du système d’exploitation n’est en lui-même pas une tâche, mais un ensemble de fonctions pouvant être appelées par les différents processus pour effectuer des opérations requérant un certain niveau de privilèges. Le noyau prend alors en général le relais du processus pour rendre le service demandé et lui rend le contrôle lorsque les actions correspondantes ont été réalisées.
Il peut arriver cependant que le processus puisse poursuivre une partie de son exécution sans attendre que le service ait été complètement réalisé. Des mécanismes de synchronisation sont alors nécessaires entre le noyau et le processus pour permettre à celui-ci, une fois qu'il est arrivé au point où il a besoin que le service ait été rendu, d'attendre que le noyau lui notifie l'exécution effective du service en question.
Un processeur est capable d’exécuter un seul processus, un système multiprocesseur est capable de gérer autant de processus qu’il a de processeurs. Pour pallier cet inconvénient majeur, les noyaux multitâches permettent l’exécution de plusieurs processus sur un processeur, en partageant le temps du processeur entre les processus.
Lorsque plusieurs tâches doivent être exécutées de manière parallèle, un noyau multitâche s’appuie sur les notions de : commutation de contexte ; ordonnancement ; temps partagé.
Les entrées et les sorties font l’objet d’un traitement spécifique par l’ordonnanceur.
Systèmes à noyaux restreints
Il existe de nombreux noyaux aux fonctionnalités restreintes tels que les micro-noyaux, les systèmes sans noyau (MS-DOS, CP/M) ou les exo-noyaux.
Ces systèmes sont généralement adaptés à des applications très ciblées mais posent des problèmes variés (de sécurité avec MS-DOS, de performances avec HURD ou QNX). La plupart d’entre eux sont actuellement inadaptés pour une utilisation généraliste, dans des serveurs ou ordinateurs personnels.
Fonctions généralement remplies par un noyau
Les noyaux ont comme fonctions de base d’assurer le chargement et l’exécution des processus, de gérer les entrées/sorties et de proposer une interface entre l’espace noyau et les programmes de l’espace utilisateur.
À de rares exceptions, les noyaux ne sont pas limités à leurs fonctionnalités de base. On trouve généralement dans les noyaux les fonctions des micro-noyaux : un gestionnaire de mémoire et un ordonnanceur, ainsi que des fonctions de communication inter-processus.
En dehors des fonctions précédemment listées, de nombreux noyaux fournissent également des fonctions moins fondamentales telles que : la gestion des systèmes de fichiers ; plusieurs ordonnanceurs spécialisés (batch, temps réel, entrées/sorties) ; des notions de processus étendues telles que les processus légers ; des supports réseaux (TCP/IP, PPP, pare-feu) ; des services réseau (NFS). Enfin, la plupart des noyaux fournissent également des modèles de pilotes pour le matériel.
En dehors des fonctionnalités de base, l’ensemble des fonctions des points suivants (y compris les pilotes matériels, les fonctions réseaux et systèmes de fichiers ou les services) n'est pas nécessairement fourni par un noyau de système d’exploitation. Ces fonctions du système d’exploitation peuvent être implantées tant dans l’espace utilisateur que dans le noyau lui-même. Leur implantation dans le noyau est faite dans l’unique but d’augmenter les performances. En effet, suivant la conception du noyau, la même fonction appelée depuis l’espace utilisateur ou l’espace noyau a un coût temporel notoirement différent. Si cet appel de fonction est fréquent, il peut s’avérer utile d’intégrer ces fonctions au noyau pour augmenter les performances.
Ces techniques sont utilisées pour pallier des défauts des noyaux tels que les latences élevées. Autant que possible, il est préférable d’écrire un logiciel hors du noyau, dans l’espace utilisateur. En effet, l’écriture en espace noyau suppose l’absence de mécanismes tels que la protection de la mémoire. Il est donc plus complexe d’écrire un logiciel fonctionnant dans l’espace noyau plutôt que dans l’espace utilisateur, les bugs et failles de sécurité étant plus dangereux.
Ordonnanceur
L’ordonnanceur d’un système d’exploitation n’a de sens qu’en système multitâche. Il gère l’ordre dans lequel les instructions de différentes tâches sont exécutées et est responsable de la sauvegarde et de la restauration du contexte des tâches (ce contexte est constitué des registres processeurs), appelée également commutation de contexte.
La plupart des ordonnanceurs modernes permettent d’indiquer sur quel processeur sont exécutées les tâches. Certains permettent également de migrer des tâches sur d’autres machines d’une grappe de calcul.
L’algorithme d’ordonnancement détermine quelle tâche doit s’exécuter en priorité et sur quel processeur. Cet algorithme doit permettre d’utiliser efficacement les ressources de la machine.
L’ordonnancement peut être de type « coopératif » : les tâches doivent être écrites de manière à coopérer les unes avec les autres et ainsi accepter leur suspension pour l’exécution d’une autre tâche. L’ordonnancement peut être également de type préemptif : l’ordonnanceur a la responsabilité de l’interruption des tâches et du choix de la prochaine à exécuter. Certains noyaux sont eux-mêmes préemptifs : l’ordonnanceur peut interrompre le noyau lui-même pour faire place à une activité (typiquement, toujours dans le noyau) de priorité plus élevée.
Gestionnaire de mémoire
Le gestionnaire de mémoire est le sous-ensemble du système d’exploitation qui permet de gérer la mémoire de l’ordinateur. Sa tâche la plus fondamentale est d’allouer de la mémoire à des processus lorsqu’ils en ont besoin. Cette mémoire allouée est par défaut propre au processus qui en fait la demande.
Sur les noyaux récentsLe concept de mémoire virtuelle date des années 1960. La généralisation de cette technologie au grand public commence avec Windows XP et Mac OS X., le gestionnaire de mémoire masque la localisation physique de la mémoire (en mémoire vive ou sur disque dur, dans l’espace de mémoire paginée) et présente au programme une mémoire globale uniforme dite mémoire virtuelle. Ainsi, tout processus croit manipuler une mémoire « logique » qui a les propriétés suivantesL’implémentation de l’ensemble de ces propriétés par le gestionnaire de mémoire du noyau suppose l’utilisation de microprocesseurs adaptés et équipés d’une unité de gestion mémoire (Gestionnaire de mémoire matériel). : la mémoire peut être étendue jusqu’aux capacités théoriques de la machineSur la plupart des noyaux, seule une fraction des capacités théoriques de la machine peut être allouée à un processus. Ainsi avec Linux sur x86 (32 bits), seuls les 3 premiers gigaoctets sont disponibles par défaut pour les processus . ; la mémoire est privée (protégée), un processus ne peut pas accéder à la mémoire d’un autre processus (sauf allocations et autorisations spécifiques).
L’intérêt de ne pas indiquer au processus l’emplacement physique des données est de permettre au gestionnaire de mémoire de placer et déplacer à sa convenance les données en mémoire, sans affecter les processus. Ces données peuvent notamment être fragmentées dans la mémoire vive lorsqu’un processus demande un bloc de mémoire d’une taille supérieure au plus grand bloc physique libre. Le contenu de la mémoire peut aussi être migré. Cette migration est faite sur les différents supports mémoires tels que dans la mémoire physique (plus ou moins proche du processeur), dans la mémoire paginée, dans la mémoire accessible par réseaux (grappe de calcul).