Un sistema operativo è un software complesso che deve gestire molteplici risorse (CPU, memoria, dispositivi di I/O, processi). Per questo motivo, ogni sistema operativo dovrebbe essere progettato come una partizione in sottosistemi, ciascuno con responsabilità ben definite, propri input e output e specifici requisiti di prestazioni. La scelta di come strutturare un sistema operativo influisce direttamente su sicurezza, efficienza, manutenibilità, estensibilità e semplicità di sviluppo. Nel tempo sono stati proposti diversi modelli architetturali.
STRUTTURA SEMPLICE
Nella struttura semplice non esiste una vera suddivisione in sottosistemi e non vi è separazione tra kernel mode e user mode. Tutto il codice, incluso quello delle applicazioni, può accedere direttamente all’hardware. Un esempio storico è MS-DOS.
KERNEL MONOLITICO
Nella struttura a kernel monolitico, l’intero sistema operativo risiede ed opera in kernel mode, mentre i programmi utente lavorano in user mode. Il kernel include: gestione dei processi, gestione della memoria, file system, driver di dispositivo, gestione dell’I/O. Esempi classici sono: UNIX o Linux (monolitico modulare).
STRUTTURA A LIVELLI
Nella struttura a livelli, il sistema operativo è suddiviso in N livelli gerarchici. Ogni livello: utilizza esclusivamente i servizi del livello inferiore (n − 1) e fornisce nuove funzionalità al livello superiore (n + 1). Struttura prevalentemente utilizzata a scopo didattico.
MICROKERNEL
Nella struttura a microkernel, il kernel contiene solo le funzionalità strettamente essenziali, come: gestione dei processi di base, gestione della memoria minima, comunicazione tra processi (IPC). Tutte le altre funzionalità del sistema operativo (file system, driver, servizi di rete) vengono eseguite in user mode, come processi separati. Un esempio classico è MINIX.
MODULI DEL KERNEL CARICABILI
La struttura a Loadable Kernel Modules (LKM) è un’evoluzione del kernel monolitico. Il kernel fornisce un nucleo centrale, ma: alcune funzionalità (come driver o file system) sono implementate come moduli caricabili che possono essere caricati o rimossi a runtime, senza riavviare il sistema Une esempio classico è Linux (driver caricabili a runtime).
KERNEL IBRIDO
Il kernel ibrido combina caratteristiche del kernel monolitico e del microkernel. In questo modello molte componenti sono organizzate in modo modulare e alcune funzionalità tipicamente da microkernel sono mantenute in kernel mode per migliorare le prestazioni. Esempi classici sono Windows NT (Windows 10/11) e XNU (macOS, iOS).