Betriebssystemkerne

Betriebssystemkerne (Kerne) bilden den zentralen Bestandteil moderner Betriebssysteme. Sie arbeiten direkt mit der Hardware und stellen grundlegende Dienste bereit, während Anwendungen in Benutzermodus laufen. Der Kernel verwaltet Ressourcen wie CPU-Zeit, Speicher und Peripheriegeräte und sorgt für Isolation und Schutz zwischen Prozessen.

Zu seinen Hauptaufgaben gehören das Prozessmanagement (Terminierung, Planung, Kontextwechsel, Synchronisation), die Speicherverwaltung (physischer und virtueller Speicher, Zuteilung, Speicherfreigabe, Paging und TLB), das Gerätemanagement (Treiber für CPU, Speicher, Eingabe/Ausgabe), das Dateisystem und den Datentransfer, sowie die Interprozesskommunikation und das Unterbrechen- bzw. Interrupt-Handling. Zusätzlich implementiert er die Systemaufrufe, über die Anwendungen Betriebssystemfunktionen anfordern.

In der Systemarchitektur unterscheidet man verschiedene Kernelformen. Monolithische Kerne bündeln eine Vielzahl von Diensten im Kernel-Speicherraum, bieten oft hohe Leistung, sind aber schwerer zu warten. Microkernel-Designs minimieren den Kernel auf grundlegende Funktionen und verlagern viele Dienste in Benutzermodus. Hybridkerne kombinieren Ansätze, während Exokernel Ressourcenplanung extrem vom Abstraktionslayer trennt. Beispiele: Linux ist ein weitgehend monolithischer Kernel mit modularer Erweiterbarkeit; Windows NT wird oft als Hybridkernel beschrieben; MINIX, QNX und Barrelfish stehen für Microkernel-Ansätze.

Der Kernel stellt eine Schnittstelle zu Anwendungen und Treibern bereit: Systemaufrufe, Interrupt-Handling, Treiber-APIs und andere Kernel-Dienste. Treiber können je nach Architektur im Kernelraum arbeiten oder in einigen Systemen so arbeiten, dass sie weitgehend im Benutzermodus laufen. Der Bootprozess umfasst das Laden des Kernels durch den Bootloader, Kernelinitialisierung, Einrichtung von Speicher und Geräten sowie Start des Scheduler und der übrigen Systemdienste.