Noyau est un composant central d'un système d'exploitation qui gère les opérations de l'ordinateur et du matériel. Il gère essentiellement les opérations de mémoire et de temps CPU. C'est un composant essentiel d'un système d'exploitation. Le noyau agit comme un pont entre les applications et le traitement des données effectué au niveau matériel à l'aide de la communication inter-processus et des appels système.
Le noyau se charge d'abord en mémoire lorsqu'un système d'exploitation est chargé et reste en mémoire jusqu'à ce que le système d'exploitation soit à nouveau arrêté. Il est responsable de diverses tâches telles que la gestion des disques, la gestion des tâches et la gestion de la mémoire.
Le noyau dispose d'une table de processus qui assure le suivi de tous les processus actifs
• La table de processus contient une table par région de processus dont l'entrée pointe vers les entrées de la table de région.
Le noyau charge un fichier exécutable en mémoire lors de l'appel système « exec ».
Il décide quel processus doit être alloué au processeur pour être exécuté et quel processus doit être conservé dans la mémoire principale pour être exécuté. Il agit essentiellement comme une interface entre les applications utilisateur et le matériel. L'objectif principal du noyau est de gérer la communication entre les logiciels, c'est-à-dire les applications au niveau utilisateur, et le matériel, c'est-à-dire le processeur et la mémoire disque.
Objectifs du noyau :
- Pour établir la communication entre l’application au niveau utilisateur et le matériel.
- Pour décider de l’état des processus entrants.
- Pour contrôler la gestion des disques.
- Pour contrôler la gestion de la mémoire.
- Pour contrôler la gestion des tâches.
Types de noyau :
1. Noyau monolithique –
Il s'agit de l'un des types de noyau dans lequel tous les services du système d'exploitation fonctionnent dans l'espace du noyau. Il a des dépendances entre les composants du système. Il contient d’énormes lignes de code complexes.
Exemple:
Unix, Linux, Open VMS, XTS-400 etc.>
Avantage:
1. Efficacité : Les noyaux monolithiques sont généralement plus rapides que les autres types de noyaux car ils n'ont pas besoin de basculer entre les modes utilisateur et noyau à chaque appel système, ce qui peut entraîner une surcharge.
2. Intégration étroite : Étant donné que tous les services du système d'exploitation s'exécutent dans l'espace du noyau, ils peuvent communiquer plus efficacement entre eux, ce qui facilite la mise en œuvre de fonctionnalités et d'optimisations complexes.
3. Simplicité : Les noyaux monolithiques sont plus simples à concevoir, à implémenter et à déboguer que les autres types de noyaux car ils ont une structure unifiée qui facilite la gestion du code.
4. Latence inférieure : Les noyaux monolithiques ont une latence plus faible que les autres types de noyaux car les appels système et les interruptions peuvent être gérés directement par le noyau.
Désavantage:
1. Problèmes de stabilité : Les noyaux monolithiques peuvent être moins stables que les autres types de noyaux, car tout bug ou vulnérabilité de sécurité dans un service du noyau peut affecter l'ensemble du système.
2. Failles de sécurité : Étant donné que tous les services du système d'exploitation s'exécutent dans l'espace du noyau, toute vulnérabilité de sécurité dans l'un des services peut compromettre l'ensemble du système.
3. Difficultés de maintenance : Les noyaux monolithiques peuvent être plus difficiles à maintenir que les autres types de noyaux, car toute modification apportée à l'un des services peut affecter l'ensemble du système.
4. Modularité limitée : Les noyaux monolithiques sont moins modulaires que les autres types de noyaux car tous les services du système d'exploitation sont étroitement intégrés dans l'espace du noyau. Cela rend plus difficile l’ajout ou la suppression de fonctionnalités sans affecter l’ensemble du système.
2. Micro-noyau –
Ce sont les types de noyau qui ont une approche minimaliste. Il dispose d’une mémoire virtuelle et d’une planification des threads. Il est plus stable avec moins de services dans l'espace noyau. Cela met du repos dans l’espace utilisateur.
Il est utilisé dans les petits systèmes d'exploitation.
Exemple :
Mach, L4, AmigaOS, Minix, K42 etc.>
Avantages :
1. Fiabilité : L'architecture du micro-noyau est conçue pour être plus fiable que les noyaux monolithiques. Étant donné que la plupart des services du système d'exploitation s'exécutent en dehors de l'espace du noyau, tout bogue ou vulnérabilité de sécurité dans un service n'affectera pas l'ensemble du système.
2. Flexibilité : L'architecture micro-noyau est plus flexible que les noyaux monolithiques car elle permet d'ajouter ou de supprimer différents services du système d'exploitation sans affecter l'ensemble du système.
3. Modularité : L'architecture du micro-noyau est plus modulaire que les noyaux monolithiques car chaque service du système d'exploitation s'exécute indépendamment des autres. Cela facilite la maintenance et le débogage du système.
4. Portabilité : L'architecture du micro-noyau est plus portable que les noyaux monolithiques car la plupart des services du système d'exploitation s'exécutent en dehors de l'espace du noyau. Cela facilite le portage du système d'exploitation sur différentes architectures matérielles.
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Désavantages:
1. Performances : L'architecture du micro-noyau peut être plus lente que les noyaux monolithiques car elle nécessite davantage de changements de contexte entre l'espace utilisateur et l'espace du noyau.
2. Complexité : L'architecture du micro-noyau peut être plus complexe que les noyaux monolithiques car elle nécessite davantage de mécanismes de communication et de synchronisation entre les différents services du système d'exploitation.
3. Difficulté de développement : Le développement de systèmes d'exploitation basés sur une architecture à micronoyau peut être plus difficile que le développement de noyaux monolithiques car cela nécessite plus d'attention aux détails dans la conception des mécanismes de communication et de synchronisation entre les différents services.
4. Utilisation accrue des ressources : L'architecture à micro-noyau peut utiliser plus de ressources système, telles que la mémoire et le processeur, que les noyaux monolithiques, car elle nécessite davantage de mécanismes de communication et de synchronisation entre les différents services du système d'exploitation.
3. Noyau hybride –
C'est la combinaison d'un noyau monolithique et d'un micronoyau. Il a la vitesse et la conception d’un noyau monolithique ainsi que la modularité et la stabilité du micro-noyau.
Exemple :
Windows NT, Netware, BeOS etc.>
Avantages :
1. Performances : Les noyaux hybrides peuvent offrir de meilleures performances que les micro-noyaux car ils réduisent le nombre de changements de contexte requis entre l'espace utilisateur et l'espace noyau.
2. Fiabilité : Les noyaux hybrides peuvent offrir une meilleure fiabilité que les noyaux monolithiques car ils isolent les pilotes et autres composants du noyau dans des domaines de protection distincts.
3. Flexibilité : Les noyaux hybrides peuvent offrir une meilleure flexibilité que les noyaux monolithiques car ils permettent d'ajouter ou de supprimer différents services du système d'exploitation sans affecter l'ensemble du système.
4. Compatibilité : Les noyaux hybrides peuvent être plus compatibles que les micro-noyaux car ils peuvent prendre en charge une plus large gamme de pilotes de périphériques.
Désavantages:
1. Complexité : Les noyaux hybrides peuvent être plus complexes que les noyaux monolithiques car ils incluent à la fois des composants monolithiques et des micro-noyaux, ce qui peut rendre la conception et la mise en œuvre plus difficiles.
2. Sécurité : Les noyaux hybrides peuvent être moins sécurisés que les micro-noyaux car ils ont une plus grande surface d'attaque en raison de l'inclusion de composants monolithiques.
3. Entretien : Les noyaux hybrides peuvent être plus difficiles à maintenir que les micro-noyaux car leur conception et leur implémentation sont plus complexes.
4. Utilisation des ressources : Les noyaux hybrides peuvent utiliser plus de ressources système que les micro-noyaux car ils incluent à la fois des composants monolithiques et des micro-noyaux.
4. Noyau Exo –
C'est le type de noyau qui suit le principe de bout en bout. Il a le moins d’abstractions matérielles possible. Il alloue des ressources physiques aux applications.
Exemple :
Nemesis, ExOS etc.>
Avantages :
1. Flexibilité : Les Exokernels offrent le plus haut niveau de flexibilité, permettant aux développeurs de personnaliser et d'optimiser le système d'exploitation pour les besoins spécifiques de leurs applications.
2. Performances : Les exokernels sont conçus pour offrir de meilleures performances que les noyaux traditionnels car ils éliminent les abstractions inutiles et permettent aux applications d'accéder directement aux ressources matérielles.
3. Sécurité : Les exokernels offrent une meilleure sécurité que les noyaux traditionnels car ils permettent un contrôle précis sur l'allocation des ressources système, telles que la mémoire et le temps CPU.
4. Modularité : Les exokernels sont hautement modulaires, permettant l'ajout ou la suppression facile de services du système d'exploitation.
Désavantages:
1. Complexité : Les exokernels peuvent être plus complexes à développer que les noyaux traditionnels car ils nécessitent une plus grande attention aux détails et un examen attentif de l'allocation des ressources du système.
2. Difficulté de développement : Développer des applications pour les exokernels peut être plus difficile que pour les noyaux traditionnels car les applications doivent être écrites pour accéder directement aux ressources matérielles.
3. Assistance limitée : Les exokernels sont encore une technologie émergente et peuvent ne pas disposer du même niveau de support et de ressources que les noyaux traditionnels.
4. Difficulté de débogage : Le débogage des applications et des services du système d'exploitation sur les exokernels peut être plus difficile que sur les noyaux traditionnels en raison de l'accès direct aux ressources matérielles.
5. Nano-noyau –
C'est le type de noyau qui offre une abstraction matérielle mais sans services système. Micro Kernel ne dispose pas non plus de services système, c'est pourquoi Micro Kernel et Nano Kernel sont devenus analogues.
Exemple :
EROS etc.>
Avantages :
1. Petite taille : Les nano-noyaux sont conçus pour être extrêmement petits, fournissant uniquement les fonctions les plus essentielles nécessaires au fonctionnement du système. Cela peut les rendre plus efficaces et plus rapides que les autres types de noyau.
2. Haute modularité : Les nano-noyaux sont hautement modulaires, permettant l'ajout ou la suppression facile de services du système d'exploitation, ce qui les rend plus flexibles et personnalisables que les noyaux monolithiques traditionnels.
3. Sécurité : Les nano-noyaux offrent une meilleure sécurité que les noyaux traditionnels car ils ont une surface d'attaque plus petite et un risque réduit d'erreurs ou de bugs dans le code.
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4. Portabilité : Les nano-noyaux sont conçus pour être hautement portables, ce qui leur permet de fonctionner sur un large éventail d'architectures matérielles.
Désavantages:
1. Fonctionnalité limitée : Les nanonoyaux ne fournissent que les fonctions les plus essentielles, ce qui les rend inadaptés aux applications plus complexes nécessitant une gamme de services plus large.
2. Complexité : Étant donné que les nano-noyaux ne fournissent que des fonctionnalités essentielles, ils peuvent être plus complexes à développer et à maintenir que les autres types de noyau.
3. Performances : Bien que les nano-noyaux soient conçus pour être efficaces, leur approche minimaliste peut ne pas être en mesure de fournir le même niveau de performances que les autres types de noyau dans certaines situations.
4. Compatibilité : En raison de leur conception minimaliste, les nanonoyaux peuvent ne pas être compatibles avec toutes les configurations matérielles et logicielles, limitant ainsi leur utilisation pratique dans certains contextes.