O que é um Kernel? Do hardware aos sistemas operacionais completos
Vamos começar pelo básico, da onde surgiu a ideia de um "Kernel"?
Como todo aparelho voltado ao ser humano em si, a ideia de um Kernel surgiu de uma necessidade da simplificação de uma tarefa. A ideia de máquinas para realizar tarefas não é algo novo, temos de exemplo o ábaco, que era uma ferramenta que ajudava no processamento de cálculo de uma maneira mais sucinta.
Porém, o grande salto ocorreu com a Revolução Industrial no século 19, quando máquinas começaram a ser usadas não só para produção física, mas também para processar informações! Essa mudança veio da necessidade de resolver problemas cada vez mais complexos para o ser humano comum(cálculo, planejamento de produções, trajetória e após isso, cálculos científicos e militares).
O primeiro conceito de computador mecânico veio de Charles Babbage, cientista e matemático, que foi responsável pela criação de uma máquina capaz de realizar operações matemáticas de forma automatizada! Esse conceito se perpetuou por décadas no antro matemático e científico: "Como organizar instruções e recursos para realizar cálculos e tarefas de uma forma eficiente?" Essa dúvida, após décadas de reinvenções e dúvidas, nos traria nosso primeiro Kernel.
A necessidade organizacional de uma máquina para aqueles que a operam
Com o avanço eletrônico, na primeira guerra e principalmente durante a Segunda, a necessidade de realizar cálculos complexos de maneira rápida e precisa viria se tornar uma necessidade, não mais uma dúvida. Durante a guerra, máquinas como o Colossus e a ENIAC foram projetados para realizar cálculos aritméticos em uma velocidade abruptamente maior que o ser humano e qualquer máquina anterior. Embora extremamente poderosas na época, elas possuíam um problema. Elas não tinham uma estrutura organizada para se gerenciar os recursos da máquina de forma eficiente. Cada vez que um novo cálculo ou algoritmo precisava ser realizado, o operador precisava interagir diretamente com a máquina, controlando e gerenciando os recursos de hardware de forma manual!! Isso demandava muito tempo e se percebeu a ineficiência desse sistema.
A evolução eletrônica e a necessidade de abstração
Com o aumento da capacidade dos computadores, além da sua popularidade, na década de 1950 a 1960, os programadores e operadores das máquinas começaram a perceber que era necessário abstrair o controle do hardware e criar uma camada de software para otimizar o uso dos recursos que antes eram processados fisicamente pelo ser humano. Esse pensamento foi um dos grandes passos em direção a criação dos primeiros S.O(Sistema Operacionais), que seriam responsáveis por controlar a execução dos programas, organizar a memória, tempo de CPU e dispositivos de entrada/saída. A ideia de abstração foi um pensamento essencial para esta evolução, pois em meio disso. Veio o parecer para criar um núcleo central que organizasse recursos e controlasse interações com o hardware por meio de lógica. Esse núcleo seria o que hoje nós chamamos de Kernel!!
A criação do Kernel
O kernel surgiu como uma respostas a indagações de décadas de pensamento crítico e filosófico em relação ao controle, abstração e eficiência de máquinas. Ele permitiu que tarefas fossem gerenciadas de maneira eficiente, sem que o operador/programador precisasse interagir diretamente com o hardware e o tempo todo. Assim, o kernel atua como uma camada intermediária entre o software e o hardware, como na imagem:
O kernel tem 4 principais funções:
- Gerenciar processos
- Controlar a memória
- Gerenciar dispositivos
- Gerenciar o tempo de CPU e pipelines
A necessidade de priorização de cálculos e algoritmos
Na medida em que computadores e máquinas foram ficando cada vez mais potentes, com a introdução de processadores mais rápidos, evolução dos sistemas de armazenamento e a memória, surgiu uma necessidade: Priorizar tarefas.
O Kernel começou a ser desenvolvido não só apenas para garantir a funcionalidade da comunicação com o hardware, mas também para priorizar os cálculos e algoritmos com base na sua importância e urgência
Para saber como o Kernel faz esse gerenciamento de prioridade: clique Aqui!
O avanço para os Sistemas Operacionais Completos
À medida que as necessidades humanas e computacionais evoluíam, tornou-se evidente que os kernels monolíticos simples(O que é um kernel monolítico) já não eram suficientes para lidar com a crescente complexidade de operações e processamentos. O aumento da capacidade do mesmo, a introdução de múltiplos dispositivos e a necessidade de execução simultânea de tarefas exigiram novos métodos de gerenciamento e coordenação entre hardware e software.
Foi nesse contexto que, na década de 1960, surgiu o Unix. Um dos sistemas operacionais mais influentes da história da computação. O Unix introduziu um Kernel monolítico robusto, responsável por gerenciar de forma centralizada as interações entre hardware e processos em execução. Além disso, implementou conceitos fundamentais que se tornariam base para os sistemas modernos que conhecemos, como multitarefa e estrutura hierárquica de diretórios para organização de Arquivos
"Sou um pensador muito de baixo para cima. Se você me der o tipo certo de Tinker Toys, eu consigo imaginar a construção. Posso sentar e ver os elementos primitivos e reconhecer seu poder de construir estruturas de meio quilômetro de altura, se eu tivesse apenas mais um para torná-la funcionalmente completa. Consigo ver esse tipo de coisa." — Ken Thompson, Criador do Unix
Na década de 1990, o conceito de kernel foi aprimorado com o surgimento do Linux, desenvolvido por Linus Torvalds. Assim como o Unix, o Linux adotou um kernel monolítico, porém com uma arquitetura modular(Aqui sobre), o que possibilitou maior flexibilidade, estabilidade e facilidade na manutenção. Essa modularidade permitiu a inclusão e remoção de componentes do sistema e sem a necessidade de recompilar todo o núcleo, tornando o Linux extremamente adaptável a diferentes plataformas e dispositivos, se tornando um dos Kernels mais usados no mundo, sendo utilizado em máquinas, computadores e dispositivos elétricos.
"Quando eu comecei não foi porque eu queria mudar o mundo, eu fiz porque estava interessado em computadores. Meu conselho, de certa forma, poderia ser para que se tente encontrar algo que esteja realmente interessado." - Linus Torvalds
Responsabilidade do Kernel no mundo moderno
Com o avanço da computação em rede e o surgimento de novas demandas, como a segurança, conectividade e interface gráfica, o papel do Kernel expandiu-se significativamente. Ele passou a ser responsável não apenas pelo gerenciamento de processos, memória e dispositivos de entrada e saída, mas também por protocolos de rede, controle de acesso, gerenciamento de energia e abstração de hardware. Assim, o kernel se tornou um núcleo de um próprio ecossistema de fios, transistores e soldas, cada vez mais complexo e interconectado.
Espero que tenham Gostado desse artigo!
A música de hoje é: