Kernel

Ein Kernel (Betriebssystemkern), ist der zentrale Bestandteil eines Betriebssystems In ihm ist die Prozess- und Datenorganisation festgelegt, auf der alle weiteren Softwarebestandteile des Betriebssystems aufbauen Er bildet die unterste Softwareschicht des Systems und hat direkten Zugriff auf die Hardware

Bestandteile

Ein Kernel (abhängig von der Struktur) ist in Schichten aufgeteilt, wobei die unteren Schichten die Basis für die darüber liegenden bilden. Die oberen Schichten können Funktionen der unteren Schichten aufrufen, aber nicht umgekehrt.

• Schnittstelle zur Hardware (Geräte, Speicher, Prozessoren)
• Speicherverwaltung (evtl. einschließlich virtuellem Hauptspeicher)
• Prozessverwaltung (auch Scheduler genannt)
• Geräteverwaltung (auch Device Management genannt)
• Dateisysteme

Die Kernelstrukturen im Vergleich

• Wenn alle Module im Kernel selbst integriert sind, spricht man von einem monolithischen Kernel
• Bei einem Mikrokernel finden nur wesentliche Bestandteile in getrennten Prozessen statt
• Eine Zwischenstufe ist der Hybridkernel, bei dem eine Teilmenge der Funktionen Teil des Kernels und der Rest ausgelagert ist
• Der selten benutzte Exokernel, beschränkt sich darauf, die Hardware zwischen den Prozessen aufzuteilen, alle weiteren Schritte werden den Prozessen selbst überlassen
  
• Der Kernel selbst läuft im sogenannten Kernel-Mode zusammen mit Gerätetreibern und anderen hardwarenahen Anwendungen
• Der Kernel ist vom Kernel-Mode zu unterscheiden denn nicht jede Anwendung ist auch Teil des Kernels
  • Neben dem eigentlichen Kernel laufen noch andere Anwendungen im Kernel-Mode, z. B. die Hardware Abstraction Layer

Aufgaben eines Betriebssystem-Kernel

• Schnittstelle zu Anwenderprogrammen (Starten, Beenden, Ein-/Ausgabe, Speicherzugriff)
• Kontrolle des Zugriffs auf Prozessor, Geräte, Speicher (Scheduler, Gerätetreiber, Speicherschutz). Möglichst alleiniger Zugriff des Kernels auf diese Ressourcen.
• Verteilung der Ressourcen wie zum Beispiel der Prozessorzeit bzw. der Prozessoren auf die Anwenderprogramme.
• Strukturierung der Ressourcen, etwa Abbildung von Dateisystemen auf blockorientierte Geräte wie Festplattenlaufwerke, Netzwerkstack auf Netzwerkkarten.
• Auflösung von Zugriffskonflikten, etwa Verriegelung bei Mehrprozessorsystemen, Warteschlangen bei knappen Ressourcen.
• Virtualisierung der Ressourcen (Prozessor: Prozesse, Festplatte: Dateien, Netzwerkkarte: z. B. Sockets, Speicher: virtueller Speicher, Geräte: Spezialdateien).
• Überwachung von Zugriffsrechten auf Dateien und Geräte bei Mehrbenutzersystemen.

Arten

• Können auf einem Kernel mehrere Prozesse gleichzeitig laufen, spricht man von Multitasking-Kerneln
• Wirklichkeit wird jedoch von der CPU immer nur ein Prozess gleichzeitig behandelt (außer bei Mehrkernsystemen). Den Wechsel regelt in den meisten Fällen der Scheduler. Wird ein Multitasking-Kernel durch Zugriffsverwaltungen auf Prozesse und Geräte ergänzt, erhält man ein Multiuser-(oder Mehrbenutzer-)System. Darauf können mehrere Benutzer gleichzeitig arbeiten