Kernel là gì? Cách hoạt động và vai trò trong hệ điều hành

Bạn có biết Kernel là gì? Trong giới công nghệ, nếu Windows hay Linux được biết là lớp giao diện bên ngoài thì Kernel chính là phần trung tâm điều hành tất cả hoạt động bên trong. Bài viết dưới đây sẽ giúp mọi người hiểu rõ hơn về khái niệm, cách thức hoạt động và các chức năng của Kernel một cách chi tiết.

Kernel là gì?

Kernel là phần cốt lõi và đóng vai trò trung tâm của hệ điều hành (OS). Kernel được xem là "cầu nối" trung gian cho các phần cứng của thiết bị máy tính với các phần mềm ứng dụng.

Khi người dùng khởi động thiết bị máy tính, Kernel chính là chương trình đầu tiên nạp vào bộ nhớ sau Bootloader. Kernel sẽ duy trì sự hiện diện bên trong RAM tới khi thiết bị hoàn toàn tắt hẳn. Tất cả yêu cầu từ ứng dụng nếu muốn truy cập vào phần cứng đều cần đi qua "cánh cửa" kiểm soát của Kernel.

Kernel trong hệ điều hành là lớp phần mềm chạy ở chế độ đặc quyền, có thể truy cập vào tất cả tài nguyên hệ thống. Trường hợp Kernel xảy ra sự cố, toàn bộ hệ điều hành cũng sẽ sụp đổ. Việc hiểu Kernel trong hệ điều hành là gì sẽ giúp bạn nhận diện được thành phần quan trọng nhất của hệ điều hành.

[Product_Listing categoryid="380" propertyid="" customlink="https://cellphones.com.vn/laptop.html" title="Danh sách Laptop Gaming đang được quan tâm nhiều tại CellphoneS"]

Kernel hoạt động như thế nào?

Cơ chế vận hành của Kernel được dựa theo sự tương tác giữa User Space (không gian người dùng) và Kernel Space (không gian nhân).

• Gửi yêu cầu: Khi người dùng mở một ứng dụng, ứng dụng đó chạy trong không gian người dùng. Để thực hiện những tác vụ như hiển thị ảnh, đọc file,... thì nó không thể tự điều khiển phần cứng.
• System Call (cuộc gọi hệ thống): Do không thể tự điều khiển phần cứng, ứng dụng sẽ cần gửi một "cuộc gọi hệ thống" tới Kernel. 
• Xử lý và Điều phối: Kernel sẽ tiếp nhận yêu cầu, kiểm tra xem ứng dụng có đủ quyền hạn không. Khi nhận thấy sự hợp lệ, Kernel sẽ điều phối tài nguyên và gửi yêu cầu tới driver để phần cứng thực thi
• Trả kết quả: Khi phần cứng đã thực hiện xong tác vụ, Kernel sẽ nhận kết quả và chuyển ngược lại cho ứng dụng bên trong User Space.

Chức năng chính của kernel trong hệ điều hành

Kernel không chỉ đóng vai trò là “người đưa tin nhắn” thông thường. Bên cạnh đó, Kernel còn đảm nhận 4 chức năng khác giúp thiết bị máy tính hoạt động trơn tru:

Quản lý tiến trình (Process Management)

Đây là chức năng trọng yếu liên quan tới quản lý tiến trình. Một hệ điều hành chạy một lúc cả trăm tiến trình thì Kernel sẽ quyết định tiến trình nào được dùng CPU và dùng trong thời gian bao lâu (Scheduling).

Bên cạnh đó, Kernel còn giúp tạo mới, tạm dừng hay kết thúc các tiến trình. Đảm bảo các tiến trình không xâm nhập vào dữ liệu của nhau, tránh xảy ra tình trạng xung đột phần mềm.

Quản lý bộ nhớ (Memory Management)

Bộ nhớ RAM là tài nguyên hữu hạn. Vậy nên, Kernel sẽ giúp quản lý RAM và phân phối nó một cách hệ thống và thông minh hơn. Kernel sẽ theo dõi vùng bộ nhớ đang được dùng và phân bổ không gian bộ nhớ cho những ứng dụng cần.

Quản lý thiết bị (Device Management)

Để Kernel giao tiếp được với thiết bị ngoại vi thì nó sẽ cần tới Device Drivers (Trình điều khiển thiết bị). Kernel có nhiệm vụ kết nối driver tới đúng thiết bị và quản lý quá trình truyền nhận dữ liệu giữa CPU và những thiết bị phần cứng này.

Quản lý hệ thống tệp (File System Management)

Tất cả dữ liệu người dùng lưu trên ổ cứng sẽ được sắp xếp theo cấu trúc nhất định. Khi này, Kernel sẽ có vai trò tổ chức, lưu trữ và xuất dữ liệu trên mọi phương tiện lưu trữ. Ngoài ra, Kernel còn có chức năng quản lý quyền truy cập file để xem ai được quyền chỉnh sửa tệp. Kernel hỗ trợ cơ chế giúp giảm rủi ro mất dữ liệu, tùy thuộc vào hệ thống tệp.

Các loại kernel phổ biến hiện nay

Tùy theo mục đích sử dụng, Kernel sẽ được chia ra thành nhiều loại khác nhau, trong đó phổ biến nhất là 4 loại dưới đây:

Monolithic Kernel

Đây là loại nhân mà mọi dịch vụ của hệ điều hành đều được chạy chung trong một không gian nhân duy nhất. Loại Kernel này có tốc độ vô cùng nhanh bởi các thành phần được giao tiếp trực tiếp với nhau.

Tuy nhiên Monolithic Kernel có nhược điểm là nếu một dịch vụ nào đó bị lỗi, thì sẽ có thể kéo theo toàn bộ hệ thống sụp đổ theo. Kernel Linux chính là một ví dụ điển hình của Monolithic Kernel.

Vậy Kernel Linux là gì? Linux kernel là hạt nhân mã nguồn mở, nguyên khối (monolithic) của hệ điều hành tương tự Unix. Đây là cầu nối quan trọng giữa phần cứng như RAM, CPU,... với phần mềm ứng dụng.

Microkernel

Microkernel chỉ giữ lại các dịch vụ như quản lý IPC, bộ nhớ cơ bản, còn những dịch vụ khác thì được đẩy ra ngoài không gian người dùng (User Space). Loại Kernel này rất ổn định và bảo mật tốt.

Nếu bất kỳ dịch vụ nào đó bị lỗi, thì chỉ có dịch vụ đó dừng, còn Kernel vẫn sẽ hoạt động. Tuy nhiên, Microkernel lại sở hữu hiệu năng thấp bởi mất thời gian giao tiếp giữa các không gian.

Hybrid Kernel

Hybrid Kernel chính là sự kết hợp giữa tốc độ của nhân nguyên khối (Monolithic) với tính cấu trúc của nhân vi mô (Microkernel). Loại Kernel này chạy một số dịch vụ trong nhân để giúp tăng cao hiệu suất nhưng cấu trúc phân lớp vẫn sẽ được giữ nguyên.

Exokernel

Exokernel là loại nhân vô cùng tối giản, không áp đặt quy tắc quản lý tài nguyên như các Kernel truyền thống. Thay vào đó, Kernel này chỉ đảm nhận việc kiểm soát và phân quyền, giúp ứng dụng truy cập và quản lý tài nguyên phần cứng ở mức thấp hơn. Exokernel chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu và dùng cho các hệ thống chuyên dụng.

So sánh Shell và Kernel là gì?

Hiện nay, có nhiều người vẫn còn nhầm lẫn giữa Shell và Kernel. Để hiểu rõ hơn bạn có thể nhìn vào bảng so sánh bên dưới đây.

Đặc điểm	Kernel	Shell
Vị trí	Là lớp lõi, nằm giữa phần cứng và user space.	Shell nằm ở lớp ngoài, giữa người dùng và Kernel.
Giao diện	Không có giao diện trực tiếp với người dùng.	Giao diện dòng lệnh (CLI) hoặc đồ họa (GUI).
Nhiệm vụ	Quản lý tài nguyên hệ thống (CPU, RAM, thiết bị, tiến trình)	Nhận lệnh từ người sử dụng, biên dịch và chuyển đến Kernel.
Khả năng thay thế	Với mã nguồn mở như Linux, Kernel hoàn toàn có thể tùy biến, nâng cấp hoặc thay thế	Có thể dễ dàng thay đổi.
Bộ nhớ	Luôn ở trong RAM.	Chỉ chạy khi người sử dụng cần thực hiện lệnh.

Hiểu được Kernel là gì sẽ giúp người dùng có cái nhìn rõ hơn về cách mà các thiết bị công nghệ vận hành. Từ chiếc Smartphone cho tới các thiết bị máy tính, tất cả đều theo sự điều phối của Kernel. Mong rằng bài viết này sẽ cung cấp tới cho mọi người cái nhìn rõ nhất về Kernel.

Xem thêm các bài viết tại chuyên mục: Thuật ngữ công nghệ/ Wiki - Thuật ngữ