Tipos de Nucleos en los Sistemas Operativos

Fuente: Wikipedia

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La idea de este post es que sean capaces de distinguir y dar un preciso criterio entre los núcleos de cada sistema operativo y decidir cual es mejor que otro o para decir cual serviría mejor cada tipo de trabajo(ocio, multimedia, ofimática, virtualidad 3D, imágenes, trabajos sonoros, escolaridad, etc).

En informática, el núcleo (también conocido en español con el anglicismo kernel, de la raíz germánica Kern) es la parte fundamental de un sistema operativo. Es el software responsable de facilitar a los distintos programas acceso seguro al hardware de la computadora o en forma más básica, es el encargado de gestionar recursos, a través de servicios de llamada al sistema. Como hay muchos programas y el acceso al hardware es limitado, el núcleo también se encarga de decidir qué programa podrá hacer uso de un dispositivo de hardware y durante cuánto tiempo, lo que se conoce como multiplexado. Acceder al hardware directamente puede ser realmente complejo, por lo que los núcleos suelen implementar una serie de abstracciones del hardware. Esto permite esconder la complejidad, y proporciona una interfaz limpia y uniforme al hardware subyacente, lo que facilita su uso para el programador.

Tipos de Núcleos

No necesariamente se necesita un núcleo para usar una computadora. Los programas pueden cargarse y ejecutarse directamente en una computadora «vacía», siempre que sus autores quieran desarrollarlos sin usar ninguna abstracción del hardware ni ninguna ayuda del sistema operativo. Ésta era la forma normal de usar muchas de las primeras computadoras: para usar distintos programas se tenía que reiniciar y reconfigurar la computadora cada vez. Con el tiempo, se empezó a dejar en memoria (aún entre distintas ejecuciones) pequeños programas auxiliares, como el cargador y el depurador, o se cargaban desde memoria de sólo lectura. A medida que se fueron desarrollando, se convirtieron en los fundamentos de lo que llegarían a ser los primeros núcleos de sistema operativo.

Hay cuatro grandes tipos de núcleos:

* Los núcleos monolíticos facilitan abstracciones del hardware subyacente realmente potentes y variadas.
* Los micronúcleos (en inglés microkernel) proporcionan un pequeño conjunto de abstracciones simples del hardware, y usan las aplicaciones llamadas servidores para ofrecer mayor funcionalidad.
* Los núcleos híbridos (micronúcleos modificados) son muy parecidos a los micronúcleos puros, excepto porque incluyen código adicional en el espacio de núcleo para que se ejecute más rápidamente.
* Los exonúcleos no facilitan ninguna abstracción, pero permiten el uso de bibliotecas que proporcionan mayor funcionalidad gracias al acceso directo o casi directo al hardware.

Micronúcleos

El enfoque micronúcleo consiste en definir una abstracción muy simple sobre el hardware, con un conjunto de primitivas o llamadas al sistema que implementan servicios del sistema operativo mínimos, como la gestión de hilos, el espacio de direccionamiento y la comunicación entre procesos.

El objetivo principal es la separación de la implementación de los servicios básicos y de la política de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, el proceso de bloqueo de E/S se puede implementar con un servidor en espacio de usuario ejecutándose encima del micronúcleo. Estos servidores de usuario, utilizados para gestionar las partes de alto nivel del sistema, son muy modulares y simplifican la estructura y diseño del núcleo. Si falla uno de estos servidores, no se colgará el sistema entero, y se podrá reiniciar este módulo independientemente del resto. Sin embargo, la existencia de diferentes módulos independientes origina retardos en la comunicación debido a la copia de variables que se realiza en la comunicación entre módulos.

Algunos ejemplos de micronúcleos:

* AIX
* La familia de micronúcleos L4
* El micronúcleo Mach, usado en GNU Hurd y en Mac OS X
* BeOS
* Minix
* MorphOS
* QNX
* RadiOS
* VSTa
* Hurd


Núcleos monolíticos en contraposición a micronúcleos

Frecuentemente se prefieren los núcleos monolíticos frente a los micronúcleos debido al menor nivel de complejidad que comporta el tratar con todo el código de control del sistema en un solo espacio de direccionamiento. Por ejemplo, XNU, el núcleo de Mac OS X, está basado en el núcleo Mach 3.0 y en FreeBSD, en el mismo espacio de direccionamiento para disminuir la latencia que comporta el diseño de micronúcleo convencional.

A principios de los años 90, los núcleos monolíticos se consideraban obsoletos. El diseño de Linux como un núcleo monolítico en lugar de como un micronúcleo fue el tema de una famosa disputa entre Linus Torvalds y Andrew Tanenbaum. Los argumentos de ambas partes en esta discusión presentan algunas motivaciones interesantes.

Los núcleos monolíticos suelen ser más fáciles de diseñar correctamente, y por lo tanto pueden crecer más rápidamente que un sistema basado en micronúcleo, pero hay casos de éxito en ambos bandos. Los micronúcleos suelen usarse en robótica embebida o computadoras médicas, ya que la mayoría de los componentes del sistema operativo residen en su propio espacio de memoria privado y protegido. Esto no sería posible con los núcleos monolíticos, ni siquiera con los modernos que permiten cargar módulos del núcleo.

Aunque Mach es el micronúcleo generalista más conocido, se han desarrollado otros micronúcleos con propósitos más específicos. L3 fue creado para demostrar que los micronúcleos no son necesariamente lentos. La familia de micronúcleos L4 es la descendiente de L3, y una de sus últimas implementaciones, llamada Pistachio, permite ejecutar Linux simultáneamente con otros procesos, en espacios de direccionamiento separados.

QNX es un sistema operativo que ha estado disponible desde principios de los años 80, y tiene un diseño de micronúcleo muy minimalista. Este sistema ha conseguido llegar a las metas del paradigma del micronúcleo con mucho más éxito que Mach. Se usa en situaciones en que no se puede permitir que haya fallos de software, lo que incluye desde brazos robóticos en naves espaciales, hasta máquinas que pulen cristal donde un pequeño error podría costar mucho dinero.

Mucha gente cree que como Mach básicamente falló en el intento de resolver el conjunto de problemas que los micronúcleos intentaban subsanar, toda la tecnología de micronúcleos es inútil. Los partidarios de Mach afirman que ésta es una actitud estrecha de miras que ha llegado a ser lo suficientemente popular para que mucha gente la acepte como verdad.


Núcleos híbridos (micronúcleos modificados)

Los núcleos híbridos fundamentalmente son micronúcleos que tienen algo de código «no esencial» en espacio de núcleo para que éste se ejecute más rápido de lo que lo haría si estuviera en espacio de usuario. Éste fue un compromiso que muchos desarrolladores de los primeros sistemas operativos con arquitectura basada en micronúcleo adoptaron antes que se demostrara que los micronúcleos pueden tener muy buen rendimiento. La mayoría de sistemas operativos modernos pertenecen a esta categoría, siendo el más popular Microsoft Windows. XNU, el núcleo de Mac OS X, también es un micronúcleo modificado, debido a la inclusión de código del núcleo de FreeBSD en el núcleo basado en Mach. DragonFlyBSD es el primer sistema BSD que adopta una arquitectura de núcleo híbrido sin basarse en Mach.

Algunos ejemplos de núcleos híbridos:

* Microsoft Windows NT, usado en todos los sistemas que usan el código base de Windows NT
* XNU (usado en Mac OS X)
* DragonFlyBSD
* ReactOS

Hay gente que confunde el término «núcleo híbrido» con los núcleos monolíticos que pueden cargar módulos después del arranque, lo que es un error. «Híbrido» implica que el núcleo en cuestión usa conceptos de arquitectura o mecanismos tanto del diseño monolítico como del micronúcleo, específicamente el paso de mensajes y la migración de código «no esencial» hacia el espacio de usuario, pero manteniendo cierto código «no esencial» en el propio núcleo por razones de rendimiento.

Exonúcleos

Esquema básico de la interacción entre un Exonúcleo (Exokernel) con el Software a través de bibliotecas.

Los exonúcleos, también conocidos como sistemas operativos verticalmente estructurados, representan una aproximación radicalmente nueva al diseño de sistemas operativos.

La idea subyacente es permitir que el desarrollador tome todas las decisiones relativas al rendimiento del hardware. Los exonúcleos son extremadamente pequeños, ya que limitan expresamente su funcionalidad a la protección y el multiplexado de los recursos. Se llaman así porque toda la funcionalidad deja de estar residente en memoria y pasa a estar fuera, en bibliotecas dinámicas.

Los diseños de núcleos clásicos (tanto el monolítico como el micronúcleo) abstraen el hardware, escondiendo los recursos bajo una capa de abstracción del hardware, o detrás de los controladores de dispositivo. En los sistemas clásicos, si se asigna memoria física, nadie puede estar seguro de cuál es su localización real, por ejemplo.

La finalidad de un exonúcleo es permitir a una aplicación que solicite una región específica de la memoria, un bloque de disco concreto, etc., y simplemente asegurarse que los recursos pedidos están disponibles, y que el programa tiene derecho a acceder a ellos.

Debido a que el exonúcleo sólo proporciona una interfaz al hardware de muy bajo nivel, careciendo de todas las funcionalidades de alto nivel de otros sistemas operativos, éste es complementado por una «biblioteca de sistema operativo». Esta biblioteca se comunica con el exonúcleo subyacente, y facilita a los programadores de aplicaciones las funcionalidades que son comunes en otros sistemas operativos.

Algunas de las implicaciones teóricas de un sistema exonúcleo son que es posible tener distintos tipos de sistemas operativos (p.e. Windows, Unix) ejecutándose en un solo exonúcleo, y que los desarrolladores pueden elegir prescindir de o incrementar funcionalidades por motivos de rendimiento.

Actualmente, los diseños exonúcleo están fundamentalmente en fase de estudio y no se usan en ningún sistema popular. Un concepto de sistema operativo es Nemesis, creado por la Universidad de Cambridge, la Universidad de Glasgow, Citrix Systems y el Instituto Sueco de Informática. El MIT también ha diseñado algunos sistemas basados en exonúcleos. Los exonúcleos se manejan en diferente estructura dado que también cumplen funciones distintas