Kernel là gì? Tất cả hệ điều hành, dù là Windows, Mac, Linux hay Android, đều có một thành phần cốt lõi gọi là kernel. Thành phần này đóng vai trò như một người quản lý, điều phối mọi hoạt động trong hệ thống, cả phần cứng lẫn phần mềm. Có thể nói đây là thành phần quan trọng nhất của hệ điều hành. Mời bạn cùng tìm hiểu về Kernel trong bài viết sau đây của VinaHost.

1. Kernel là gì?

Kernel là chương trình đầu tiên được tải sau bootloader (bộ tải khởi động) và chạy trong suốt thời gian hoạt động của hệ điều hành. Thành phần này chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên hệ thống, cung cấp giao diện giữa người dùng và phần cứng, cũng như thực hiện các tác vụ cấp thấp như quản lý đĩa, quản lý bộ nhớ và quản lý tác vụ.

kernel la gi — Kernel chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên hệ thống, cung cấp giao diện giữa người dùng và phần cứng, cũng như thực hiện các tác vụ cấp thấp như quản lý đĩa, quản lý bộ nhớ và quản lý tác vụ.

Kernel chạy trong không gian Kernel Space, một vùng bộ nhớ riêng biệt không thể truy cập bởi các chương trình ứng dụng khác. Do đó, cần có một cơ chế để giao tiếp giữa Kernel Space và User Space – bộ nhớ được sử dụng bởi các ứng dụng khác. Giao tiếp giữa hai không gian này chậm hơn một chút so với giao tiếp trong cùng một không gian.

Xem thêm: Hệ điều hành là gì | Tổng hợp các kiến thức [A-Z] về HĐH

2. Vai trò của Kernel đối với hệ điều hành

Kernel là một chương trình máy tính, đóng vai trò như cầu nối giữa phần mềm và phần cứng. Nó chuyển đổi các yêu cầu đầu vào/đầu ra của phần mềm thành các lệnh dành cho CPU và GPU. Thành phần này cũng cung cấp các dịch vụ cơ bản cho các chương trình phần mềm, chẳng hạn như quản lý bộ nhớ, quản lý quá trình và quản lý thiết bị.

Xem thêm: Unix là gì? | Tổng hợp kiến thức [A-Z] về hệ điều hành Unix

2.1. Truy cập tài nguyên máy tính

Kernel là trung tâm của hệ điều hành. Nó có thể truy cập trực tiếp vào các tài nguyên phần cứng của hệ thống, chẳng hạn như CPU, bộ nhớ, thiết bị I/O và mạng. Thành phần này cung cấp giao diện cho chương trình phần mềm truy cập vào các tài nguyên này.

2.2. Quản lý và chia sẻ tài nguyên

Thành phần này còn có nhiệm vụ quản lý các tài nguyên hệ thống, bao gồm cả việc chia sẻ tài nguyên giữa các process.

2.3. Quản lý thiết bị ngoại vi

Kernel giúp quản lý các thiết bị ngoại vi của hệ thống. Các thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như màn hình, bàn phím, loa, máy in, đều kết nối với hệ thống thông qua các process. Vì vậy, thành phần này phải quản lý việc phân bổ các thiết bị trên cho các process.

2.4. Bảo mật và bảo vệ phần cứng

Thành phần này có nhiệm vụ quản lý các tài nguyên và đảm bảo an ninh cho hệ thống. Cụ thể là phân quyền truy cập vào phần cứng, bảo vệ và kiểm soát cách các tài nguyên được sử dụng trong từng process. Thành phần này cũng cung cấp các cơ chế bảo mật để bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa bảo mật.

Một ví dụ cụ thể là Secure Boot và Trusted Boot. Đây là hai công nghệ bảo mật cấp độ phần cứng được tích hợp trong hệ điều hành Windows, giúp bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa bảo mật, chẳng hạn như phần mềm độc hại và rootkit.

Secure Boot (Khởi động an toàn)

Secure Boot là một tính năng bảo mật của hệ điều hành Windows. Secure Boot sử dụng chữ ký điện tử để xác minh tính toàn vẹn của các thành phần khởi động, ngăn chặn phần mềm độc hại thay đổi hoặc cài đặt các thành phần khởi động không đáng tin cậy.

Secure Boot sử dụng một tập tin khóa công khai được lưu trữ trong Firmware. Tất cả các thành phần khởi động, bao gồm Firmware, bootloader hệ điều hành và các ứng dụng khởi động, phải được ký điện tử bằng khóa riêng tương ứng.

Khi máy tính khởi động, Secure Boot sẽ sử dụng khóa công khai để xác minh chữ ký điện tử của các thành phần khởi động. Nếu bất kỳ thành phần khởi động nào không được ký điện tử hoặc chữ ký điện tử không hợp lệ, Secure Boot sẽ ngăn chặn thành phần khởi động đó chạy.

Trusted Boot (Khởi động đáng tin cậy)

Windows bootloader xác minh tính toàn vẹn của Kernel trước khi tải nó. Kernel tiếp tục xác minh tính toàn vẹn của các thành phần khởi động Windows khác, bao gồm các trình điều khiển khởi động, các tệp khởi động và trình điều khiển chống phần mềm độc hại khởi động sớm. Nếu bất kỳ thành phần nào bị giả mạo, bootloader sẽ phát hiện ra sự cố và từ chối tải các thành phần bị hỏng.

Trusted Boot là một tính năng mở rộng cho Secure Boot. Trusted Boot bổ sung một số tính năng bảo mật bổ sung, chẳng hạn như xác thực phần cứng và ghi lại nhật ký khởi động.

3. Phân loại Kernel

Hiện nay, Kernel được phân thành 5 loại khác nhau.

3.1. Monolithic Kernel

Loại này tích hợp tất cả các dịch vụ của hệ điều hành vào một không gian duy nhất, bao gồm cả các dịch vụ dành cho người dùng và kernel. Điều này làm cho kernel trở nên lớn hơn và kéo theo kích thước của hệ điều hành cũng tăng lên.

Việc thực thi process sẽ nhanh hơn trong Monolithickernel vì không có sự phân chia giữa user space và kernel space. Các dịch vụ cấp cao của hệ điều hành, chẳng hạn như CPU scheduling, memory management và file management, đều được cung cấp thông qua system call.

Ưu điểm	Nhược điểm
Cung cấp các dịch vụ hệ thống quan trọng như CPU scheduling, memory management và file management thông qua system call. Hiệu suất cao do không có sự phân chia giữa user space và kernel space.	Bảo mật kém do tất cả các dịch vụ hệ thống đều được tích hợp trong một không gian duy nhất. Khó mở rộng do việc thêm các dịch vụ mới đòi hỏi phải sửa đổi toàn bộ kernel.

3.2. Microkernel

Loại này phân tách các dịch vụ của hệ điều hành thành các mô-đun độc lập, được triển khai trong các không gian khác nhau. Điều này làm cho kernel trở nên nhỏ hơn và nhẹ hơn, giúp giảm kích thước của hệ điều hành.

Tuy nhiên, việc liên lạc giữa các mô-đun và các process phải thông qua cơ chế IPC, điều này làm giảm tốc độ thực thi.

Ưu điểm	Nhược điểm
Dễ dàng mở rộng do các dịch vụ hệ thống được triển khai dưới dạng các mô-đun độc lập.	Hiệu suất thấp do việc giao tiếp giữa các mô-đun kernel và các process phải thông qua cơ chế IPC.

3.3. Hybrid Kernel

Hybridkernel là sự kết hợp giữa Monolithickernel và Microkernel. Loại này được sử dụng trong một số hệ điều hành phổ biến, chẳng hạn như Microsoft Windows và Apple macOS.

Hybridkernel giữ lại các dịch vụ quan trọng, chẳng hạn như quản lý bộ nhớ và CPU scheduling. Các dịch vụ khác, ví dụ như trình điều khiển, sẽ được tải khi cần thiết.

Ưu điểm	Nhược điểm
Kết hợp những ưu điểm của cả Monolithickernel và Microkernel. Hiệu suất cao do các dịch vụ hệ thống quan trọng được chạy ở chế độ kernel, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng mở rộng.	Khó khăn trong việc phát triển và bảo trì do có sự kết hợp giữa hai mô hình khác nhau.

3.4. Nanokernel

Nanokernel là loại có kích thước rất nhỏ, chỉ bao gồm các chức năng cơ bản nhất của hệ điều hành.

Nanokernel được thiết kế để chạy nhiều phiên bản hệ điều hành trên một hệ thống phần cứng duy nhất. Ví dụ điển hình của Nanokernel là KeyKOS. KeyKOS có khoảng 20.000 dòng mã C, bao gồm kiểm tra tài nguyên và hỗ trợ bộ nhớ ảo. Nó có thể chạy trong 1 bộ nhớ có dung lượng chỉ trong khoảng 100 KB.

Ưu điểm	Nhược điểm
Cung cấp các dịch vụ hệ thống cơ bản nhất, bao gồm các dịch vụ truy cập phần cứng, đồng thời để các ứng dụng tự cung cấp các dịch vụ hệ thống bổ sung. Bảo mật cao do các dịch vụ hệ thống được cung cấp bởi các ứng dụng.	Khó khăn trong việc phát triển và bảo trì do các ứng dụng phải tự cung cấp các dịch vụ hệ thống. Hiệu suất thấp do các ứng dụng phải thực hiện các dịch vụ hệ thống.

3.5. Exokernel

Exokernel được phát triển bởi nhóm Hệ điều hành song song và Phân tán của MIT. Loại này tách biệt việc bảo vệ tài nguyên với việc quản lý tài nguyên. Điều này cho phép người dùng tùy chỉnh các dịch vụ hệ thống theo nhu cầu của ứng dụng.

Ưu điểm

Nhược điểm

Cung cấp các dịch vụ hệ thống cơ bản nhất, bao gồm các dịch vụ truy cập phần cứng.

Hiệu suất cao do các ứng dụng có thể truy cập trực tiếp vào phần cứng.

Khó khăn trong việc phát triển và bảo trì do các ứng dụng phải tự cung cấp các dịch vụ hệ thống bổ sung.
Bảo mật thấp do các ứng dụng có thể truy cập trực tiếp vào phần cứng.

4. So sánh sự khác nhau giữa Kernel Mode và User Mode

Chúng ta cùng tìm hiểu thêm về hai chế độ hoạt động là Kernel Mode và User Mode.

Trong thực tế, có một số lệnh chỉ nên được thực thi bởi Kernel. Kernel mode là một trong hai chế độ của CPU. Khi CPU ở chế độ Kernel mode, các lệnh này sẽ được thực thi. Ví dụ, việc quản lý bộ nhớ chỉ nên được thực hiện trong Kernel mode. Ngoài ra, khi CPU ở chế độ này, nó có thể thực thi bất kỳ chỉ thị nào và tham chiếu đến bất kỳ bộ nhớ nào.

User mode là chế độ thứ hai của CPU, còn được gọi là chế độ người dùng. Ở chế độ này, CPU sẽ thực thi các process do người dùng đưa ra trong User space. Khi CPU ở chế độ user mode, nó không thể truy cập trực tiếp vào phần cứng hoặc bộ nhớ. Các đoạn mã trong User mode phải được chuyển đổi thành các hàm API hệ thống để có thể truy cập vào phần cứng và bộ nhớ của máy tính.

5. Tổng kết

Tóm lại, Kernel là phần quan trọng nhất của hệ điều hành, chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên hệ thống và cung cấp các dịch vụ cần thiết cho các ứng dụng. Thành phần này đóng vai trò quyết định đến hiệu suất và bảo mật của hệ điều hành. Hy vọng bài viết đã giúp bạn giải đáp thắc mắc Kernel là gì? Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, bạn có thể liên hệ ngay cho VinaHost để được giải đáp: