1. Wprowadzenie do jądra systemu

Jądro systemu operacyjnego to centralna część każdego systemu operacyjnego, której zadaniem jest zarządzanie zasobami komputera, koordynacja pracy różnych programów oraz zapewnienie bezpiecznej i stabilnej pracy całego systemu.

Definicja: Jądro (ang. kernel) to niskopoziomowe oprogramowanie, które działa na poziomie systemowym i jest odpowiedzialne za bezpośrednie zarządzanie sprzętem oraz umożliwia komunikację pomiędzy aplikacjami a sprzętem komputerowym.

2. Główne zadania jądra systemu operacyjnego

1. Zarządzanie procesami
   Jądro kontroluje tworzenie, wykonywanie i zakończenie procesów. Proces to uruchomiony program, a jądro przydziela mu czas procesora oraz zarządza jego priorytetami. Wykorzystując mechanizmy planowania (np. wielozadaniowość), decyduje, które procesy mogą korzystać z zasobów systemu w danym momencie.

Przykład:
W systemie Linux, procesy są tworzone za pomocą funkcji fork(). Każdy nowy proces, na przykład otwarcie przeglądarki, jest zarządzany przez jądro, które decyduje, ile czasu proces będzie miał do dyspozycji procesora.

2. Zarządzanie pamięcią
   Jądro jest odpowiedzialne za alokację i zwalnianie pamięci dla procesów. Obsługuje pamięć wirtualną, co umożliwia procesom działanie, nawet jeśli fizyczna pamięć RAM jest ograniczona. Jądro kontroluje, ile pamięci procesy mogą zużywać, oraz przenosi dane między pamięcią RAM a dyskiem twardym (pamięć wirtualna).

Przykład:
W przypadku programów działających w tle, jądro może przenieść część ich danych do pliku wymiany (swap), aby zwolnić pamięć dla bardziej aktywnych procesów.

3. Zarządzanie urządzeniami wejścia/wyjścia (I/O)
   Jądro zapewnia abstrakcję sprzętu, dzięki której programy mogą korzystać z urządzeń peryferyjnych (np. dysków, drukarek) bez konieczności bezpośredniego komunikowania się z nimi. Umożliwia to jednolity interfejs dla różnorodnych urządzeń.

Przykład:
Gdy zapisujesz plik na dysku, proces ten przechodzi przez jądro, które komunikuje się z systemem plików oraz sterownikiem urządzenia, aby dane zostały zapisane fizycznie na nośniku.

4. Zarządzanie systemem plików
   Jądro nadzoruje strukturę systemu plików, kontroluje dostęp do plików i katalogów oraz zarządza odczytem i zapisem danych. Obsługuje różne systemy plików (np. FAT, NTFS, ext4) oraz dba o integralność danych.

Przykład:
Kiedy otwierasz plik tekstowy, jądro zarządza odczytem danych z dysku, otwarciem pliku i dostarczeniem go do edytora tekstu. Odpowiada też za zarządzanie uprawnieniami dostępu do plików, aby zapobiec nieautoryzowanym zmianom.

5. Ochrona i bezpieczeństwo
   Jądro nadzoruje uprawnienia procesów oraz dostęp do zasobów, takich jak pliki czy urządzenia. Dzięki temu zapewnia, że tylko autoryzowane programy i użytkownicy mają dostęp do określonych danych.

Przykład:
W systemach operacyjnych z rodziny Unix (np. Linux), jądro zarządza prawami dostępu do plików na poziomie użytkowników. Użytkownik bez uprawnień administracyjnych nie może modyfikować plików systemowych.

3. Rodzaje jąder systemowych

1. Jądro monolityczne
   W jądrze monolitycznym wszystkie podstawowe funkcje systemu operacyjnego (zarządzanie pamięcią, procesami, urządzeniami) są zintegrowane w jednej, dużej strukturze. Jądro to działa w trybie jądra, co oznacza, że ma pełny dostęp do zasobów sprzętowych.

Przykłady:
Systemy takie jak Linux, Unix oraz MS-DOS działają na podstawie monolitycznego jądra. Dzięki pełnej integracji, jądra monolityczne są wydajne, jednak aktualizacje mogą wymagać restartu systemu.

2. Jądro mikrojądrowe (ang. microkernel)
   Mikrojądra ograniczają swoje funkcje do minimum, zajmując się jedynie podstawowymi zadaniami, jak zarządzanie procesorem i pamięcią. Wszystkie inne funkcje są realizowane przez tzw. serwisy działające poza jądrem. To podejście zwiększa stabilność, ale może wpływać na wydajność.

Przykłady:
Systemy takie jak Minix czy QNX korzystają z mikrojąder, które pozwalają na lepszą izolację poszczególnych funkcji, co zmniejsza ryzyko awarii całego systemu.

3. Jądro hybrydowe
   Jest to połączenie cech jądra monolitycznego i mikrojądrowego. Hybrydowe jądra oferują elastyczność mikrojąder, ale jednocześnie korzystają z wydajnych funkcji monolitycznych jąder. Część funkcji działa w trybie użytkownika, a część w trybie jądra.

Przykłady:
Systemy takie jak Windows NT czy macOS działają w oparciu o jądra hybrydowe.

4. Przykłady działania jądra w różnych systemach operacyjnych

• Linux: Jądro systemu Linux, będące przykładem jądra monolitycznego, jest otwarte i może być modyfikowane przez użytkowników. Linux oferuje funkcje takie jak zarządzanie procesami, obsługa wielu systemów plików oraz sterowanie urządzeniami wejścia/wyjścia.

• Windows: Windows wykorzystuje jądro hybrydowe, które łączy funkcje monolityczne z mikrousługami. Zapewnia to większą stabilność systemu i lepszą izolację usług, które mogą działać w trybie użytkownika.

• macOS: System macOS oparty jest na jądrze XNU, które jest połączeniem mikrokernela Mach i elementów BSD. Zapewnia wydajność i stabilność, łącząc w sobie zarówno mechanizmy mikrojądrowe, jak i monolityczne.

5. Zakończenie i podsumowanie

Jądro systemu operacyjnego jest kluczowym elementem każdego systemu, odpowiadającym za zarządzanie zasobami sprzętowymi oraz komunikację między sprzętem a aplikacjami. Dzięki różnym rodzajom jąder systemy operacyjne mogą być dostosowane do różnych potrzeb, zapewniając odpowiednią równowagę między wydajnością, stabilnością i bezpieczeństwem.

Ćwiczenia praktyczne w CMD:

1. Monitorowanie wątków
   Aby zobaczyć, jak system zarządza wątkami, uczniowie mogą uruchomić:

wmic process get name,threadcount

To polecenie wyświetli liczbę wątków przypisanych do każdego procesu, co pokazuje, jak jądro zarządza wielowątkowością.

2. Wyświetlanie procesów systemowych
   Za pomocą polecenia można wyświetlić tylko procesy systemowe zarządzane przez jądro:

tasklist /FI "SESSIONNAME eq Services"

To polecenie pokazuje procesy działające w tle, które są klucz