ใจกลาง

ใจกลาง หรือ เคอร์เนล (อังกฤษ: kernel) เป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่เป็นแกนกลางของระบบปฏิบัติการของคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว ใจกลางจะสามารถควบคุมทุกอย่างในระบบได้อย่างสมบูรณ์ ใจกลางยังรับผิดชอบในการป้องกันและบรรเทาข้อขัดแย้งระหว่างกระบวนการต่างๆ อีกด้วย ใจกลางเป็นส่วนระบบปฏิบัติการที่จะคงอยู่ในหน่วยความจำเสมอ และอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบระหว่างส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ใจกลางแบบเต็มจะควบคุมทรัพยากรฮาร์ดแวร์ทั้งหมด (เช่น (อินพุต/เอาต์พุต) หน่วยความจำ การเข้ารหัส) ผ่านโปรแกรมขับอุปกรณ์ ไกล่เกลี่ยข้อขัดแย้งระหว่างกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับทรัพยากรดังกล่าว และปรับการใช้ทรัพยากรทั่วไปให้เหมาะสม เช่น การใช้หน่วยประมวลผลกลางกับแคช ระบบไฟล์ และซ็อกเก็ตเครือข่าย ในระบบส่วนใหญ่ ใจกลางเป็นหนึ่งในโปรแกรมแรกๆ ที่โหลดเมื่อ เริ่มต้นระบบ (หลังจาก บูตโหลดเดอร์) โดยจะจัดการส่วนที่เหลือของการเริ่มต้นระบบ เช่นเดียวกับหน่วยความจำ และคำขอ อินพุต/เอาท์พุต จากซอฟต์แวร์ โดยแปลเป็นคำสั่งในการประมวลผล ข้อมูลสำหรับ หน่วยประมวลผลกลาง

แผนภาพโดยสังเขปแสดงการที่ใจกลางเชื่อมต่อโปรแกรมประยุกต์กับฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์

โดยปกติรหัสสำคัญของใจกลางจะถูกโหลดลงในพื้นที่หน่วยความจำแยกต่างหาก ซึ่งได้รับการป้องกันจากการเข้าถึงโดยโปรแกรมประยุกต์หรือส่วนอื่นๆ ที่มีความสำคัญน้อยกว่าของระบบปฏิบัติการ ใจกลางดำเนินงานต่างๆ เช่น กระบวนการที่ทำงานอยู่ การจัดการอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ เช่น ฮาร์ดดิสก์ และการจัดการการขัดจังหวะใน ที่ได้รับการป้องกันนี้ ในทางตรงกันข้าม โปรแกรมประยุกต์ เช่น เบราว์เซอร์ โปรแกรมประมวลผลคำ หรือเครื่องเล่นเสียงหรือวิดีโอ จะใช้พื้นที่หน่วยความจำ แยกต่างหาก การแยกนี้ป้องกันไม่ให้ข้อมูลผู้ใช้และข้อมูลใจกลางรบกวนซึ่งกันและกัน ซึ่งอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรหรือความช้า รวมถึงป้องกันไม่ให้โปรแกรมประยุกต์ที่ทำงานผิดปกติส่งผลกระทบต่อโปรแกรมประยุกต์อื่นหรือทำให้ระบบปฏิบัติการเสียหายทั้งหมด แม้ในระบบที่ใจกลางรวมอยู่ในของโปรแกรมประยุกต์ ก็ยังถูกใช้เพื่อป้องกันไม่ให้โปรแกรมประยุกต์ที่ไม่ได้รับอนุญาตแก้ไขใจกลาง

ใจกลางนี้มีหน้าที่รับผิดชอบในการรันโปรแกรม ใจกลางทำหน้าที่ตัดสินใจว่าควรมอบหมายโปรแกรมที่กำลังทำงานอยู่ให้กับโปรเซสเซอร์ตัวใด

หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม

หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM) ใช้เพื่อจัดเก็บทั้งคำสั่งโปรแกรมและข้อมูล โดยทั่วไปแล้ว ทั้งสองจะต้องมีอยู่ในหน่วยความจำเพื่อให้โปรแกรมดำเนินการได้ บ่อยครั้งที่หลายโปรแกรมต้องการเข้าถึงหน่วยความจำ โดยมักต้องการหน่วยความจำมากกว่าที่คอมพิวเตอร์มีอยู่ ใจกลางมีหน้าที่ในการตัดสินใจเลือกหน่วยความจำที่แต่ละกระบวนการสามารถใช้ได้ และกำหนดสิ่งที่ต้องทำเมื่อมีหน่วยความจำไม่เพียงพอ

อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต

ใจกลางเตรียมวิธีการที่สะดวกสำหรับโปรแกรมประยุกต์ในการใช้อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต เช่น อุปกรณ์ต่อพ่วง (แป้นพิมพ์ เมาส์ ดิสก์ไดรฟ์ เครื่องพิมพ์ อุปกรณ์ยูเอสบี อะแดปเตอร์เครือข่าย และอื่นๆ) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วใจกลางจะแยกออกมา ทำให้โปรแกรมประยุกต์ต่างๆ จะไม่จำเป็นต้องทราบรายละเอียดการใช้งาน

แนวทางการออกแบบใจกลาง

แผนผังของใจกลางแบบโมโนลิทิก

ใจกลางแบบโมโนลิทิก (Monolithic kernel)

ในใจกลางแบบโมโนลิทิก บริการระบบปฏิบัติการทั้งหมดทำงานพร้อมกับเคอร์เนลเธรดหลัก ดังนั้นจึงอยู่ในพื้นที่หน่วยความจำเดียวกันด้วย แนวทางนี้ให้การเข้าถึงฮาร์ดแวร์ที่สมบูรณ์และมีประสิทธิภาพ ผู้พัฒนายูนิกซ์ ระบุว่า "ในความเห็น [ของเขา] ใจกลางแบบโมโนลิทิกนั้นนำไปใช้ได้ง่ายกว่า" ข้อเสียเปรียบหลักของใจกลางแบบโมโนลิทิกคือการพึ่งพาระหว่างส่วนประกอบของระบบ – จุดบกพร่องในโปรแกรมขับอุปกรณ์อาจทำให้ระบบเสียหายทั้งหมด – และความจริงที่ว่าใจกลางแบบโมโนลิทิกนั้นยากต่อการดูแลรักษา ทอมป์สันยังระบุด้วยว่า "[ใจกลางแบบโมโนลิทิก]เนี่ย ถ้าไม่ระมัดระวังก็มีสิทธิจะเละตุ้มเป๊ะ"

ใจกลางแบบโมโนลิทิกสมัยใหม่ เช่นใจกลางลินุกซ์, ใจกลางฟรีบีเอสดี, ใจกลาง, ใจกลาง และใจกลาง Solaris ซึ่งทั้งหมดนี้จัดอยู่ในหมวดหมู่ของระบบปฏิบัติการเหมือนยูนิกซ์ รองรับ ทำให้โมดูลต่างๆ เพื่อโหลดลงในใจกลางขณะรันไทม์ ทำให้สามารถขยายขีดความสามารถของใจกลางได้ง่ายตามต้องการ ขณะเดียวกันก็ช่วยลดปริมาณรหัสที่ทำงานในพื้นที่ใจกลางให้เหลือน้อยที่สุด

ไมโครเคอร์เนล (Microkernel)

รูปภาพแสดงหลักการทำงานของไมโครเคอร์เนล

ไมโครเคอร์เนล เป็นเคอร์เนลที่แบ่งการทำงานในแต่ละภาคส่วนออกจากกัน ตัวอย่างเช่น แบ่งส่วนของซอฟต์แวร์ประยุกต์ ส่วนของอุปกรณ์ ส่วนจัดการไฟล์ ฯลฯ ในทางทฤษฎีไมโครเคอร์เนลมีความเสถียรสูงเนื่องจากแบ่งการทำงานทุกภาคส่วนออกจากกัน แต่มีข้อเสียคือเรียกประสิทธิภาพของระบบออกมาได้ไม่เต็มที่

ตัวอย่างของไมโครเคอร์เนล และ ระบบปฏิบัติการที่มีพื้นบน ไมโครเคอร์เนล:

• AIX
• AmigaOS
• Amoeba
• Chorus microkernel
• EROS
• Haiku
• K42
• LSE/OS
• KeyKOS
• The L4 microkernel family
• Mach, used in GNU Hurd, NEXTSTEP, OPENSTEP, and Mac OS X
• MERT
• Minix
• MorphOS
• NewOS
• QNX
• Phoenix-RTOS
• RadiOS
• Spring operating system
• VSTa
• Symbian OS

เคอร์เนลแบบผสม (Hybrid kernel)

เคอร์เนลแบบผสม เป็นเคอร์เนลที่รวมความสามารถของไมโครเคอร์เนลและโมโนลิทิกเคอร์เนลเข้าด้วยกันเพื่อเลียนแบบประสิทธิภาพและเสถียรภาพของโมโนลิทิกเคอร์เนลและไมโครเคอร์เนล

• kernel
• kernel
• NetWare kernel
• Plan 9 kernel
• kernel
• (Windows 2000, Windows XP, Windows 2003, and Windows Vista)
• kernel (ใช้ใน Mac OS X)

หมายเหตุ

1. ตามระบบศัพท์บัญญัติ สำนักงานราชบัณฑิตยสภา
2. ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

อ้างอิง

1. "ศัพท์บัญญัติ ๔๐ สาขาวิชา สำนักงานราชบัณฑิตยสภา".{{}}: CS1 maint: url-status ()
2. "Kernel". Linfo. Bellevue Linux Users Group. จากแหล่งเดิมเมื่อ 8 December 2006. สืบค้นเมื่อ 15 September 2016.
3. Randal E. Bryant; David R. O'Hallaron (2016). Computer Systems: A Programmer's Perspective (Third ed.). Pearson. p. 17. ISBN .
4. "Open Sources: Voices from the Open Source Revolution". 1-56592-582-3. 29 March 1999. จากแหล่งเดิมเมื่อ 1 February 2020. สืบค้นเมื่อ 24 March 2019.

• , Operating Systems - Design and Implementation (Third edition) ;
• Andrew Tanenbaum, Modern Operating Systems (Second edition) ;
• , , The Linux Kernel;
• , , Patterson, Computer Organization and Design, () ;
• , Computer Organisation and Architecture, Macmillan P. ().

แหล่งข้อมูลอื่น

• Kernel คืออะไร - แหล่งข้อมูลความรู้ภาษาไทย