النواة (نظام التشغيل)

من الاعتبارات المهمة في تصميم نواة النظام الدعم الذي توفره للحماية من الأعطال ( تحمل الأعطال ) ومن السلوكيات الخبيثة ( الأمان ). عادةً ما لا يتم التمييز بوضوح بين هذين الجانبين، ويؤدي اعتماد هذا التمييز في تصميم النواة إلى رفض بنية هرمية للحماية . ^{[ 5 ]}

يمكن تصنيف الآليات أو السياسات التي توفرها النواة وفقًا لعدة معايير، بما في ذلك:

• سواء كانت ثابتة (يتم فرضها في وقت الترجمة ) أو ديناميكية (يتم فرضها في وقت التشغيل )؛
• سواء كانت وقائية أو لاحقة للكشف؛
• سواء كانت مدعومة بالأجهزة أو تعتمد على اللغة؛
• سواء كانت آلية مفتوحة أم سياسة ملزمة؛
• وفقًا لمبادئ الحماية التي تستوفيها (على سبيل المثال، دينينج ^{[ 11 ] [ 12 ]} )؛
• وغيرها الكثير.

يتم عادةً تنفيذ دعم مجالات الحماية الهرمية ^{[ 13 ]} باستخدام أوضاع وحدة المعالجة المركزية .

تُطبّق العديد من أنظمة التشغيل "القدرات"، أي الكائنات المُقدّمة لبرامج المستخدم والتي تسمح بوصول محدود إلى كائن أساسي تُديره النواة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك معالجة الملفات: فالملف هو تمثيل للمعلومات المخزنة على جهاز تخزين دائم. قد تتمكن النواة من تنفيذ العديد من العمليات المختلفة، بما في ذلك القراءة والكتابة والحذف والتنفيذ، ولكن قد يُسمح لتطبيق على مستوى المستخدم بتنفيذ بعض هذه العمليات فقط (على سبيل المثال، قد يُسمح له بقراءة الملف فقط). يتمثل أحد التطبيقات الشائعة لذلك في أن تُقدّم النواة كائنًا للتطبيق (يُسمى عادةً "مؤشر ملف") والذي يمكن للتطبيق بعد ذلك استدعاء العمليات عليه، وتتحقق النواة من صحة هذا المؤشر عند طلب العملية. يمكن توسيع هذا النظام ليشمل جميع الكائنات التي تُديرها النواة، بل وحتى الكائنات التي تُقدّمها تطبيقات المستخدم الأخرى.

تتمثل إحدى الطرق الفعالة والبسيطة لتوفير دعم الأجهزة للقدرات في تفويض وحدة إدارة الذاكرة (MMU) مسؤولية التحقق من حقوق الوصول لكل عملية وصول إلى الذاكرة، وهي آلية تُعرف باسم العنونة القائمة على القدرات . ^{[ 14 ]} تفتقر معظم بنى الحواسيب التجارية إلى هذا الدعم من وحدة إدارة الذاكرة للقدرات؛ ويعمل مشروع تعليمات RISC المحسّنة للأجهزة ذات القدرات (CHERI) على تطوير آليات قائمة على القدرات لعدة بنى.

يتمثل أحد الأساليب البديلة في محاكاة القدرات باستخدام نطاقات هرمية مدعومة بشكل شائع. في هذا الأسلوب، يجب أن يوجد كل كائن محمي في مساحة عناوين لا يمكن للتطبيق الوصول إليها؛ كما يحتفظ نظام التشغيل بقائمة بالقدرات في هذه الذاكرة. عندما يحتاج تطبيق ما إلى الوصول إلى كائن محمي بواسطة قدرة معينة، فإنه يُجري استدعاءً للنظام، ثم يتحقق نظام التشغيل مما إذا كانت قدرة التطبيق تمنحه الإذن بتنفيذ الإجراء المطلوب، وإذا كان مسموحًا له، فإنه يُجري الوصول نيابةً عنه (إما مباشرةً، أو عن طريق تفويض الطلب إلى عملية أخرى على مستوى المستخدم). تُحدّ تكلفة الأداء الناتجة عن تبديل مساحة العناوين من جدوى هذا الأسلوب في الأنظمة ذات التفاعلات المعقدة بين الكائنات، ولكنه يُستخدم في أنظمة التشغيل الحالية للكائنات التي لا يتم الوصول إليها بشكل متكرر أو التي لا يُتوقع منها الأداء بسرعة. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

إذا لم يدعم البرنامج الثابت آليات الحماية، فمن الممكن محاكاة الحماية على مستوى أعلى، على سبيل المثال عن طريق محاكاة الإمكانيات من خلال التلاعب بجداول الصفحات ، ولكن لذلك آثار على الأداء. ^{[ 17 ]} مع ذلك، قد لا يمثل نقص دعم الأجهزة مشكلةً بالنسبة للأنظمة التي تختار استخدام الحماية القائمة على اللغة. ^{[ 18 ]}

يُعدّ اختيار مستويات التجريد التي ينبغي تطبيق آليات وسياسات الأمان فيها قرارًا هامًا في تصميم نواة النظام. وتلعب آليات أمان النواة دورًا حاسمًا في دعم الأمان على المستويات العليا. ^{[ 14 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

يتمثل أحد الأساليب في استخدام دعم البرامج الثابتة ونواة النظام لتحمل الأعطال (انظر أعلاه)، وبناء سياسة الأمان للسلوكيات الخبيثة فوق ذلك (بإضافة ميزات مثل آليات التشفير عند الضرورة)، مع تفويض بعض المسؤولية إلى المُصرّف . تُسمى الأساليب التي تُفوّض تطبيق سياسة الأمان إلى المُصرّف و/أو مستوى التطبيق غالبًا بالأمان القائم على اللغة .

يُعيق غياب العديد من آليات الأمان الأساسية في أنظمة التشغيل السائدة حاليًا تطبيق سياسات أمان كافية على مستوى تجريد التطبيق . ^{[ 19 ]} في الواقع، من المفاهيم الخاطئة الشائعة في أمن الحاسوب الاعتقاد بإمكانية تطبيق أي سياسة أمان في أي تطبيق بغض النظر عن دعم النواة. ^{[ 19 ]}

بحسب مطوري مجموعة أبحاث مارس، يُعدّ غياب العزل أحد العوامل الرئيسية التي تُضعف أمان نواة النظام. ^{[ 23 ]} ويقترحون إطار عمل لعزل برامج التشغيل للحماية، وخاصةً في نواة لينكس. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

أثبت إدسكار ديكسترا ، من وجهة نظر منطقية، أن عمليات القفل والفتح الذرية التي تعمل على الإشارات الثنائية كافية للتعبير عن أي وظيفة من وظائف تعاون العمليات. ^{[ 27 ]} ومع ذلك، يُعتبر هذا النهج عمومًا قاصرًا من حيث الأمان والكفاءة، في حين أن نهج تمرير الرسائل أكثر مرونة. ^{[ 28 ]} كما تتوفر أيضًا عدة مناهج أخرى (سواء على مستوى أدنى أو أعلى)، حيث توفر العديد من نواة الأنظمة الحديثة دعمًا لأنظمة مثل الذاكرة المشتركة واستدعاءات الإجراءات عن بُعد .

طُرحت فكرة النواة التي تُعالج فيها أجهزة الإدخال/الإخراج بشكل موحد مع العمليات الأخرى، كعمليات متوازية متعاونة، لأول مرة ونفذها برينش هانسن (على الرغم من وجود أفكار مشابهة في عام 1967 ^{[ 29 ] [ 30 ]} ). في وصف هانسن لهذا، تُسمى العمليات "المشتركة" بالعمليات الداخلية ، بينما تُسمى أجهزة الإدخال/الإخراج بالعمليات الخارجية . ^{[ 28 ]}

على غرار الذاكرة الفعلية، قد يؤدي السماح للتطبيقات بالوصول المباشر إلى منافذ ومسجلات وحدة التحكم إلى خلل في وحدة التحكم أو تعطل النظام. وبناءً على ذلك، قد تصبح بعض الأجهزة معقدة للغاية في البرمجة، وتستخدم عدة وحدات تحكم مختلفة، وذلك تبعًا لتعقيدها. لذا، يُعد توفير واجهة أكثر تجريدًا لإدارة الجهاز أمرًا بالغ الأهمية. عادةً ما يتم توفير هذه الواجهة بواسطة برنامج تشغيل الجهاز أو طبقة تجريد الأجهزة. غالبًا ما تحتاج التطبيقات إلى الوصول إلى هذه الأجهزة. يجب على النواة الاحتفاظ بقائمة هذه الأجهزة من خلال الاستعلام عنها من النظام بطريقة ما. يمكن القيام بذلك من خلال نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS)، أو من خلال أحد ناقلات النظام المختلفة (مثل PCI/PCIE أو USB). على سبيل المثال، عند طلب تطبيق ما إجراء عملية على جهاز، مثل عرض حرف، تحتاج النواة إلى إرسال هذا الطلب إلى برنامج تشغيل الفيديو النشط حاليًا. بدوره، يحتاج برنامج تشغيل الفيديو إلى تنفيذ هذا الطلب. هذا مثال على الاتصال بين العمليات (IPC).

في النواة المتجانسة، تُعدّ جميع خدمات نظام التشغيل جزءًا من النواة وتعمل في وضع النواة، وبالتالي تتواجد في نفس منطقة الذاكرة. يوفر هذا النهج وصولًا غنيًا وقويًا إلى مكونات الجهاز. صرّح مطوّر أنظمة يونكس، كين تومسون، بأنه "من وجهة نظري، من الأسهل تنفيذ نواة متجانسة". ^{[ 37 ]} تتمثل العيوب الرئيسية للنوى المتجانسة في التبعيات بين مكونات النظام - فقد يؤدي خطأ في برنامج تشغيل جهاز ما ، على سبيل المثال، إلى تعطل النظام بأكمله - وحقيقة أن النوى الكبيرة قد تصبح صعبة الصيانة للغاية. كما ذكر تومسون أيضًا أنه "من السهل أيضًا أن تتحول [النواة المتجانسة] إلى فوضى عارمة بسرعة عند تعديلها". ^{[ 37 ]}  

تحتوي النواة المتجانسة، التي تُستخدم تقليديًا في أنظمة التشغيل الشبيهة بنظام يونكس ، على جميع وظائف نظام التشغيل الأساسية وبرامج تشغيل الأجهزة . النواة المتجانسة هي برنامج واحد يحتوي على جميع التعليمات البرمجية اللازمة لأداء كل مهمة متعلقة بالنواة. كل جزء يمكن للبرنامج الوصول إليه ولا يمكن وضعه في مكتبة موجود في مساحة النواة، بما في ذلك برامج التشغيل، وجدولة المهام ، وإدارة الذاكرة ، وأنظمة الملفات ، ومكدسات الشبكة . يتم توفير العديد من استدعاءات النظام للتطبيقات، لتمكينها من الوصول إلى جميع هذه الخدمات. على الرغم من أن النواة المتجانسة تُحمّل في البداية بأنظمة فرعية قد لا تكون ضرورية، إلا أنه يمكن ضبطها لتصبح بنفس سرعة أو أسرع من نواة مصممة خصيصًا للأجهزة، على الرغم من أنها أكثر ملاءمة بشكل عام.

تدعم النوى المتجانسة الحديثة، مثل نواة لينكس ، ونواة فري بي إس دي ، ونواة إيه آي إكس ، ونواة إتش بي-يو إكس ، ونواة سولاريس ، والتي تندرج جميعها ضمن فئة أنظمة التشغيل الشبيهة بنظام يونكس، وحدات النواة القابلة للتحميل ، مما يسمح بتحميل الوحدات في النواة في وقت التشغيل، مما يتيح توسيع قدرات النواة بسهولة حسب الحاجة، مع المساعدة في تقليل كمية التعليمات البرمجية التي تعمل في مساحة النواة.

تُنجز معظم العمليات في نواة لينكس المتجانسة عبر استدعاءات النظام . هذه الاستدعاءات عبارة عن واجهات، تُحفظ عادةً في بنية جدولية، للوصول إلى بعض الأنظمة الفرعية داخل النواة، مثل عمليات القرص. ببساطة، تُجرى الاستدعاءات داخل البرامج، وتُمرر نسخة مُدققة من الطلب عبر استدعاء النظام. لذا، فالعملية لا تتطلب جهدًا كبيرًا. يمكن تصغير حجم نواة لينكس المتجانسة بشكل كبير، ليس فقط لقدرتها على تحميل الوحدات النمطية ديناميكيًا، بل أيضًا لسهولة تخصيصها. في الواقع، توجد بعض الإصدارات صغيرة بما يكفي لتضمين عدد كبير من الأدوات والبرامج الأخرى على قرص مرن واحد ، مع توفير نظام تشغيل كامل الوظائف (أحد أشهرها muLinux ). وقد أدت هذه القدرة على تصغير حجم النواة إلى نمو سريع في استخدام لينكس في الأنظمة المدمجة .

تتألف هذه الأنواع من النواة من الوظائف الأساسية لنظام التشغيل وبرامج تشغيل الأجهزة، مع إمكانية تحميل الوحدات النمطية أثناء التشغيل. وهي توفر تجريدات غنية وقوية للأجهزة الأساسية. كما توفر مجموعة صغيرة من تجريدات الأجهزة البسيطة، وتستخدم تطبيقات تُسمى الخوادم لتوفير المزيد من الوظائف. يُعرّف هذا النهج واجهة افتراضية عالية المستوى فوق الأجهزة، مع مجموعة من استدعاءات النظام لتنفيذ خدمات نظام التشغيل، مثل إدارة العمليات والتزامن وإدارة الذاكرة، في عدة وحدات نمطية تعمل في وضع الإشراف. يُعاني هذا التصميم من عدة عيوب وقيود.

• قد يكون البرمجة في نواة النظام أمرًا صعبًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم إمكانية استخدام المكتبات الشائعة (مثل مكتبة libc كاملة الميزات )، وإلى الحاجة إلى استخدام مصحح أخطاء على مستوى الكود المصدري مثل gdb . وغالبًا ما يتطلب الأمر إعادة تشغيل الحاسوب. ولا تقتصر هذه المشكلة على كونها مسألة راحة للمطورين فحسب، بل كلما زادت صعوبة تصحيح الأخطاء، وازدادت حدة الصعوبات، زادت احتمالية احتواء الكود على المزيد من الأخطاء.
• الأخطاء في جزء واحد من النواة لها آثار جانبية قوية؛ نظرًا لأن كل وظيفة في النواة لديها جميع الامتيازات، فإن خطأ في وظيفة واحدة يمكن أن يفسد هياكل البيانات لجزء آخر غير ذي صلة تمامًا من النواة، أو لأي برنامج قيد التشغيل.
• غالباً ما تصبح الحبوب كبيرة جداً ويصعب الحفاظ عليها.
• حتى لو كانت الوحدات التي تخدم هذه العمليات منفصلة عن الكل، فإن تكامل الكود يكون محكمًا ويصعب القيام به بشكل صحيح.
• بما أن الوحدات تعمل في نفس مساحة العناوين ، فإن وجود خطأ برمجي يمكن أن يؤدي إلى انهيار النظام بأكمله.

النواة المصغرة (أو اختصارًا μK أو uK) مصطلح يصف منهجًا لتصميم أنظمة التشغيل، حيث تُنقل وظائف النظام من النواة التقليدية إلى مجموعة من "الخوادم" التي تتواصل عبر نواة "مُصغّرة"، مما يُقلل من مساحة النظام ويُبقي على مساحة المستخدم قدر الإمكان. النواة المصغرة المصممة لمنصة أو جهاز مُحدد لا تحتوي إلا على ما يلزم لتشغيله. يعتمد منهج النواة المصغرة على تعريف تجريد بسيط للأجهزة، مع مجموعة من الدوال الأساسية أو استدعاءات النظام لتنفيذ خدمات نظام التشغيل الأساسية، مثل إدارة الذاكرة ، وتعدد المهام ، والتواصل بين العمليات . أما الخدمات الأخرى، بما فيها تلك التي تُوفرها النواة عادةً، مثل الشبكات ، فتُنفذ في برامج مساحة المستخدم، والتي تُسمى الخوادم . تُعد النواة المصغرة أسهل صيانةً من النواة المتجانسة، ولكن كثرة استدعاءات النظام وتبديلات السياق قد تُبطئ النظام، لأنها تُولد عادةً عبئًا إضافيًا أكبر من استدعاءات الدوال العادية.

تقتصر وظائف نواة النظام على الأجزاء التي تتطلب وضعًا مميزًا ، مثل الاتصال بين العمليات (IPC)، وجدول المهام الأساسي ، وإدارة الذاكرة الأساسية، ووظائف الإدخال/الإخراج الأساسية. أما العديد من الأجزاء الحيوية الأخرى، فتُشغَّل الآن في مساحة المستخدم، بما في ذلك جدول المهام الكامل، وإدارة الذاكرة، وأنظمة الملفات ، وبروتوكولات الشبكة . وقد طُوِّرت النوى المصغرة كرد فعل على تصميم النواة "المتجانسة" التقليدية، حيث كانت جميع وظائف النظام تُجمَع في برنامج ثابت واحد يعمل في وضع "النظام" الخاص بالمعالج. في النواة المصغرة، تُنفَّذ المهام الأساسية فقط على هذا المستوى، مثل الوصول إلى بعض (وليس بالضرورة كل) مكونات الجهاز، وإدارة الذاكرة، وتنسيق تبادل الرسائل بين العمليات. من الأنظمة التي تستخدم النوى المصغرة QNX و GNU Hurd . في QNX وGNU Hurd، يمكن أن تكون جلسات المستخدم لقطات كاملة للنظام نفسه، أو "مشاهد" كما يُشار إليها. إن جوهر بنية النواة المصغرة يوضح بعض مزاياها:

• أسهل في الصيانة
• يمكن اختبار التصحيحات في نسخة منفصلة، ​​ثم استبدالها لتولي زمام الأمور في نسخة الإنتاج.
• يمكن اختبار البرامج الجديدة بسرعة ودون الحاجة إلى إعادة تشغيل النواة.
• المزيد من المثابرة بشكل عام: إذا تعطلت إحدى النسخ، فغالباً ما يكون من الممكن استبدالها بنسخة احتياطية عاملة.

تستخدم معظم النوى المصغرة نظام تمرير الرسائل لمعالجة الطلبات بين الخوادم. ويعمل هذا النظام عادةً على أساس المنافذ داخل النواة المصغرة. فعلى سبيل المثال، عند إرسال طلب لزيادة الذاكرة، يُفتح منفذ داخل النواة المصغرة ويُرسل الطلب من خلاله. وبمجرد وصول الطلب إلى النواة المصغرة، تُصبح الخطوات مشابهةً لاستدعاءات النظام. والهدف من ذلك هو تحقيق نمطية في بنية النظام، مما يُؤدي إلى نظام أكثر سلاسةً وأسهل في تصحيح الأخطاء والتعديل الديناميكي، وقابل للتخصيص وفقًا لاحتياجات المستخدمين، وأعلى أداءً. وتُعد النوى المصغرة جزءًا من أنظمة تشغيل مثل GNU Hurd و MINIX و MkLinux و QNX و Redox OS .

على الرغم من صغر حجم النواة المصغرة بحد ذاتها، إلا أنها، عند دمجها مع جميع التعليمات البرمجية المساعدة اللازمة، غالبًا ما تكون أكبر من النواة المتجانسة. ويشير مؤيدو النواة المتجانسة إلى أن البنية ثنائية الطبقات لأنظمة النواة المصغرة، حيث لا يتفاعل معظم نظام التشغيل مباشرةً مع المكونات المادية، تُؤدي إلى انخفاض ملحوظ في كفاءة النظام. عادةً ما تُوفر هذه الأنواع من النواة الحد الأدنى من الخدمات، مثل تحديد مساحات عناوين الذاكرة ، والتواصل بين العمليات ، وإدارة العمليات . أما الوظائف الأخرى، مثل تشغيل عمليات المكونات المادية، فلا تُعالج مباشرةً بواسطة النواة المصغرة. ويُشير مؤيدو النواة المصغرة إلى أن النواة المتجانسة تعاني من عيب يتمثل في أن أي خطأ في النواة قد يُؤدي إلى انهيار النظام بأكمله. أما مع النواة المصغرة، فإذا تعطلت إحدى عمليات النواة، فإنه لا يزال من الممكن منع انهيار النظام ككل بمجرد إعادة تشغيل الخدمة التي تسببت في الخطأ.

تُنفَّذ الخدمات الأخرى التي يوفرها النواة، مثل الشبكات، في برامج تعمل في مساحة المستخدم تُعرف بالخوادم . تسمح الخوادم بتعديل نظام التشغيل ببساطة عن طريق تشغيل البرامج وإيقافها. فعلى سبيل المثال، في جهاز لا يدعم الشبكات، لا يتم تشغيل خادم الشبكات. وتُؤدي عملية نقل البيانات من وإلى النواة بين التطبيقات والخوادم المختلفة إلى زيادة العبء، مما يُؤثر سلبًا على كفاءة النوى المصغرة مقارنةً بالنوى المتجانسة.

مع ذلك، توجد بعض العيوب في النواة المصغرة. بعضها كالتالي:

• مساحة ذاكرة تشغيل أكبر
• هناك حاجة إلى المزيد من البرامج للتفاعل، لذا هناك احتمال لانخفاض الأداء.
• قد يكون إصلاح أخطاء المراسلة أكثر صعوبة بسبب الرحلة الأطول التي يتعين عليها القيام بها، مقارنة بالنسخة لمرة واحدة في نواة متجانسة.
• إدارة العمليات بشكل عام يمكن أن تكون معقدة للغاية.

تعتمد عيوب النوى المصغرة بشكل كبير على السياق. فعلى سبيل المثال، تُعدّ مناسبة للأنظمة الصغيرة ذات الغرض الواحد (والحساسة) لأنه إذا لم تكن هناك حاجة لتشغيل العديد من العمليات، فإن تعقيدات إدارة العمليات تُخفف بشكل فعال.

تتيح النواة المصغرة تنفيذ الجزء المتبقي من نظام التشغيل كبرامج تعمل في وضع المستخدم، واستخدام أنظمة تشغيل مختلفة فوق نفس النواة دون تغيير. كما يُمكن التبديل ديناميكيًا بين أنظمة التشغيل، وتشغيل أكثر من نظام في وقت واحد. ^{[ 28 ]}

مع نمو نواة الحاسوب، يزداد حجم قاعدة الحوسبة الموثوقة فيها، وتزداد معها قابليتها للاختراق ، بالإضافة إلى حجم استهلاكها للذاكرة . ويُخفف من هذا الأمر إلى حد ما من خلال تطوير نظام ذاكرة افتراضية ، ولكن لا تدعم جميع بنى الحواسيب الذاكرة الافتراضية. ^{[ و ]} ولتقليل حجم النواة، يجب إجراء تعديلات مكثفة لإزالة التعليمات البرمجية غير الضرورية بعناية، وهو ما قد يكون بالغ الصعوبة نظرًا للترابطات غير الواضحة بين أجزاء النواة التي تحتوي على ملايين الأسطر من التعليمات البرمجية.

بحلول أوائل التسعينيات، ونظرًا للعيوب المتعددة التي اتسمت بها النواة المتجانسة مقارنةً بالنواة المصغرة، اعتبر جميع باحثي أنظمة التشغيل تقريبًا النواة المتجانسة قديمة الطراز. ونتيجةً لذلك، كان تصميم لينكس كنواة متجانسة بدلًا من نواة مصغرة موضوع نقاش شهير بين لينوس تورفالدز وأندرو تانينباوم . ^{[ 38 ]} ويحمل كلا جانبي النقاش الذي دار بين تانينباوم وتورفالدز وجاهةً .

أداء

صُممت النوى المتجانسة بحيث يكون جميع كودها في نفس حيز العناوين ( حيز النواة )، وهو ما يرى بعض المطورين أنه ضروري لزيادة أداء النظام. ^{[ 39 ]} كما يؤكد بعض المطورين أن الأنظمة المتجانسة تتمتع بكفاءة عالية للغاية إذا كُتبت بشكل جيد. ^{[ 39 ]} يميل النموذج المتجانس إلى أن يكون أكثر كفاءة ^{[ 40 ]} من خلال استخدام ذاكرة النواة المشتركة، بدلاً من نظام الاتصال بين العمليات الأبطأ في تصميمات النوى المصغرة، والذي يعتمد عادةً على تمرير الرسائل .

كان أداء النوى المصغرة ضعيفًا في كل من ثمانينيات القرن العشرين وأوائل تسعينياته. ^{[ 41 ] [ 42 ]} لم تُحلل الدراسات التي قاست أداء هذه النوى المصغرة تجريبيًا أسباب هذا القصور. ^{[ 41 ]} تُركت تفسيرات هذه البيانات للتفسيرات الشائعة ، بافتراض أنها تعود إلى زيادة وتيرة الانتقال من "وضع النواة" إلى "وضع المستخدم"، وزيادة وتيرة التواصل بين العمليات ، وزيادة وتيرة تبديل السياق . ^{[ 41 ]}

في الواقع، وكما تم التكهن به عام 1995، قد تكون أسباب ضعف أداء النوى المصغرة هي: (1) عدم كفاءة منهجية النوى المصغرة ككل ، (2) المفاهيم المحددة المُطبقة في تلك النوى المصغرة، و(3) طريقة تطبيق تلك المفاهيم. لذلك، بقي من الضروري دراسة ما إذا كان الحل لبناء نواة مصغرة فعالة، على عكس المحاولات السابقة، يكمن في تطبيق تقنيات البناء الصحيحة. ^{[ 41 ]}

من جهة أخرى، فإن بنية نطاقات الحماية الهرمية التي تؤدي إلى تصميم نواة متجانسة ^{[ 36 ]} تعاني من عيب كبير في الأداء في كل مرة يحدث فيها تفاعل بين مستويات الحماية المختلفة (أي عندما يتعين على عملية ما معالجة بنية بيانات في كل من "وضع المستخدم" و"وضع المشرف")، لأن هذا يتطلب نسخ الرسائل بالقيمة . ^{[ 43 ]}

تُستخدم النوى الهجينة في بعض أنظمة التشغيل التجارية، بما في ذلك معظم إصدارات مايكروسوفت ويندوز حتى الآن ( NT 3.1 ، NT 3.5 ، NT 3.51 ، NT 4.0 ، 2000 ، XP ، Vista ، 7 ، 8 ، 8.1 ، 10 ، و 11 ). يستخدم نظام macOS من آبل نواة هجينة تُسمى XNU ، وهي مبنية على شفرة من نواة Mach الخاصة بنظام OSF/1 (OSFMK 7.3) ^{[ 44 ]} ونواة FreeBSD المتجانسة . تُشبه النوى الهجينة النوى المصغرة، إلا أنها تتضمن شفرة إضافية في مساحة النواة لتحسين الأداء. تُمثل هذه النوى حلاً وسطاً نفذه بعض المطورين للاستفادة من المزايا الرئيسية لكل من النوى المتجانسة والمصغرة. تُعد هذه الأنواع من النوى امتداداً للنوى المصغرة مع بعض خصائص النوى المتجانسة. على عكس النواة المتجانسة، لا تستطيع هذه الأنواع من النواة تحميل الوحدات النمطية أثناء التشغيل بشكل مستقل. وهذا يعني تشغيل بعض الخدمات (مثل حزمة الشبكة أو نظام الملفات ) في مساحة النواة لتقليل العبء على الأداء الناتج عن النواة المصغرة التقليدية، مع الاستمرار في تشغيل كود النواة (مثل برامج تشغيل الأجهزة ) كخوادم في مساحة المستخدم.

تدعم العديد من أنوية أنظمة التشغيل التقليدية المتجانسة وحدات نواة قابلة للتحميل . وأشهر هذه الأنوية هي نواة لينكس . يمكن أن تحتوي النواة المعيارية أساسًا على أجزاء مدمجة في ملف النواة الأساسي أو ملفات ثنائية تُحمّل في الذاكرة عند الطلب. قد تؤدي وحدة نمطية ملوثة برمجيًا إلى زعزعة استقرار النواة قيد التشغيل. في المقابل، من الممكن كتابة برنامج تشغيل لنواة مصغرة في مساحة ذاكرة منفصلة تمامًا واختباره قبل إطلاقه رسميًا. عند تحميل وحدة نمطية، فإنها تصل إلى مساحة ذاكرة الجزء المتجانس بإضافة ما تحتاجه، مما يفتح المجال أمام احتمالية التلوث البرمجي. من مزايا النواة المعيارية (أو) الهجينة ما يلي:

• تسريع وقت تطوير برامج التشغيل التي يمكنها العمل من داخل الوحدات. لا حاجة لإعادة التشغيل للاختبار (شريطة ألا يكون نظام التشغيل غير مستقر).
• القدرة عند الطلب مقابل قضاء الوقت في إعادة تجميع نواة كاملة لأشياء مثل برامج التشغيل الجديدة أو الأنظمة الفرعية.
• تكامل أسرع لتقنيات الطرف الثالث (مرتبط بالتطوير ولكنه ذو صلة في حد ذاته مع ذلك).

تتواصل الوحدات البرمجية، عمومًا، مع نواة النظام باستخدام واجهة خاصة بها. هذه الواجهة عامة (وإن كانت خاصة بنظام تشغيل معين)، لذا لا يُمكن دائمًا استخدام الوحدات البرمجية. غالبًا ما تحتاج برامج تشغيل الأجهزة إلى مرونة أكبر مما توفره واجهة الوحدة البرمجية. في جوهر الأمر، يتطلب الأمر استدعاءين للنظام، وغالبًا ما تُجرى فحوصات الأمان التي تُجرى مرة واحدة فقط في النواة المتجانسة مرتين. من عيوب النهج المعياري ما يلي:

• مع وجود المزيد من الواجهات التي يجب المرور من خلالها، تزداد احتمالية وجود أخطاء برمجية (مما يعني وجود المزيد من الثغرات الأمنية).
• قد يكون الحفاظ على الوحدات النمطية أمراً مربكاً لبعض المسؤولين عند التعامل مع مشاكل مثل اختلافات الرموز.

تقوم النواة النانوية بتفويض جميع الخدمات تقريبًا - بما في ذلك الخدمات الأساسية مثل وحدات التحكم في المقاطعات أو المؤقت - إلى برامج تشغيل الأجهزة لجعل متطلبات ذاكرة النواة أصغر من متطلبات النواة المصغرة التقليدية. ^{[ 45 ]}  

تُعدّ النوى الخارجية نهجًا تجريبيًا لتصميم أنظمة التشغيل. وهي تختلف عن أنواع النوى الأخرى في اقتصار وظائفها على حماية المكونات المادية الأساسية وتعدد استخداماتها، دون توفير أي تجريدات برمجية لتطوير التطبيقات. يُمكّن هذا الفصل بين حماية المكونات المادية وإدارتها مطوري التطبيقات من تحديد كيفية الاستخدام الأمثل للمكونات المادية المتاحة لكل برنامج على حدة.

تتميز النوى الخارجية بصغر حجمها الشديد. ومع ذلك، فهي مزودة بأنظمة تشغيل مكتبية (انظر أيضًا النواة الأحادية )، مما يوفر لمطوري التطبيقات وظائف نظام التشغيل التقليدي. ومن أهم مزايا الأنظمة القائمة على النوى الخارجية قدرتها على دمج أنظمة تشغيل مكتبية متعددة، كل منها يُصدّر واجهة برمجة تطبيقات مختلفة ، على سبيل المثال، واجهة لتطوير واجهات المستخدم عالية المستوى ، وأخرى للتحكم في الوقت الفعلي .

يتعامل نظام التشغيل متعدد النوى مع الجهاز متعدد النوى كشبكة من النوى المستقلة، كما لو كان نظامًا موزعًا . وهو لا يفترض وجود ذاكرة مشتركة، بل يُنفذ الاتصالات بين العمليات عن طريق تمرير الرسائل . ^{[ 46 ] [ 47 ]} وكان نظام التشغيل Barrelfish أول نظام تشغيل يُوصف بأنه متعدد النوى.

بالمعنى الدقيق، لا يُشترط وجود نظام تشغيل (وبالتالي نواة) لتشغيل الحاسوب. يمكن تحميل البرامج وتنفيذها مباشرةً على الجهاز "المعدني" ، شريطة أن يكون مطورو هذه البرامج على استعداد للعمل دون أي تجريد للأجهزة أو دعم من نظام التشغيل. عملت معظم الحواسيب المبكرة بهذه الطريقة خلال الخمسينيات وأوائل الستينيات، حيث كانت تُعاد تهيئتها وتحميلها بين تنفيذ البرامج المختلفة. لاحقًا، كانت تُترك برامج مساعدة صغيرة، مثل مُحمّلات البرامج ومصححات الأخطاء ، في الذاكرة بين عمليات التشغيل، أو تُحمّل من ذاكرة القراءة فقط (ROM) . ومع تطور هذه البرامج، شكّلت أساس ما أصبح يُعرف بنوى أنظمة التشغيل المبكرة. لا يزال نهج "المعدني" مُستخدمًا حتى اليوم في بعض أجهزة ألعاب الفيديو والأنظمة المُدمجة ، ^{[ 48 ]} ولكن بشكل عام، تستخدم الحواسيب الأحدث أنظمة تشغيل ونوى حديثة.

في عام 1969، قدم نظام البرمجة المتعددة RC 4000 فلسفة تصميم النظام لنواة صغيرة "يمكن بناء أنظمة التشغيل لأغراض مختلفة عليها بطريقة منظمة"، ^{[ 49 ]} وهو ما يسمى نهج النواة المصغرة.

في العقد الذي سبق نظام يونكس ، شهدت الحواسيب نموًا هائلاً في قوتها ، لدرجة أن مشغلي الحواسيب كانوا يبحثون عن طرق جديدة لحث المستخدمين على استغلال أوقات فراغهم على أجهزتهم. وكان من أبرز التطورات خلال تلك الحقبة نظام المشاركة الزمنية ، حيث يحصل عدد من المستخدمين على فترات قصيرة من وقت استخدام الحاسوب، بمعدل يوحي بأن كل مستخدم متصل بجهازه الخاص الأبطأ. ^{[ 50 ]} 

أدى تطوير أنظمة المشاركة الزمنية إلى ظهور عدد من المشكلات. تمثلت إحداها في رغبة المستخدمين، لا سيما في الجامعات التي طُوّرت فيها هذه الأنظمة، في اختراق النظام للحصول على مزيد من وقت المعالجة . ولهذا السبب، أصبح الأمن والتحكم في الوصول محورًا رئيسيًا لمشروع Multics عام 1965. ^{[ 51 ]} ومن المشكلات المستمرة الأخرى إدارة موارد الحوسبة بكفاءة: إذ كان المستخدمون يقضون معظم وقتهم محدقين في شاشة الحاسوب يفكرون فيما سيدخلونه بدلًا من استخدام موارد الحاسوب فعليًا، وكان من المفترض أن يمنح نظام المشاركة الزمنية وقت المعالجة للمستخدم النشط خلال هذه الفترات. أخيرًا، كانت هذه الأنظمة توفر عادةً تسلسلًا هرميًا للذاكرة متعدد الطبقات، وقد أدى تقسيم هذا المورد المكلف إلى تطورات كبيرة في أنظمة الذاكرة الافتراضية .

صدر جهاز كومودور أميغا عام ١٩٨٥، وكان من أوائل أجهزة الكمبيوتر المنزلية - وأكثرها نجاحًا بلا شك - التي تميزت ببنية نواة متطورة. يستخدم المكون التنفيذي لنواة نظام التشغيل أميغا، exec.library ، تصميمًا يعتمد على تمرير الرسائل في النواة المصغرة، ولكن توجد مكونات أخرى في النواة، مثل graphics.library ، تتمتع بوصول مباشر إلى المكونات المادية. لا توجد حماية للذاكرة، وتعمل النواة دائمًا تقريبًا في وضع المستخدم. تُنفذ الإجراءات الخاصة فقط في وضع النواة، ويمكن لتطبيقات وضع المستخدم أن تطلب من نظام التشغيل تنفيذ تعليماتها البرمجية في وضع النواة.  

خلال مرحلة تصميم نظام يونكس ، قرر المبرمجون نمذجة كل جهاز عالي المستوى كملف ، لأنهم اعتقدوا أن الغرض من الحوسبة هو تحويل البيانات . ^{[ 52 ]}

على سبيل المثال، كانت الطابعات تُمثَّل كملف في موقع معروف ، فعند نسخ البيانات إلى هذا الملف، كانت تُطبع. أما الأنظمة الأخرى، التي توفر وظائف مماثلة، فكانت تميل إلى محاكاة الأجهزة على مستوى أدنى ، أي أن كلاً من الأجهزة والملفات تُعتبر نماذج لمفهوم أدنى . وقد أتاحت محاكاة النظام على مستوى الملف للمستخدمين التحكم في النظام بأكمله باستخدام أدوات ومفاهيم إدارة الملفات الموجودة لديهم ، مما بسّط العمليات بشكل كبير. وامتدادًا لهذا النموذج، يسمح نظام يونكس للمبرمجين بالتعامل مع الملفات باستخدام سلسلة من البرامج الصغيرة، وذلك باستخدام مفهوم الأنابيب ، مما يسمح للمستخدمين بإكمال العمليات على مراحل، من خلال تمرير الملف عبر سلسلة من الأدوات المتخصصة. ورغم أن النتيجة النهائية واحدة، إلا أن استخدام برامج أصغر بهذه الطريقة زاد بشكل كبير من المرونة وسهولة التطوير والاستخدام، مما يسمح للمستخدم بتعديل سير عمله عن طريق إضافة برنامج أو إزالته من السلسلة.  

في نموذج يونكس، يتكون نظام التشغيل من جزأين: أولهما، مجموعة ضخمة من برامج الأدوات المساعدة التي تُشغّل معظم العمليات؛ وثانيهما، النواة التي تُشغّل هذه البرامج. ^{[ 52 ]} في يونكس، من وجهة نظر البرمجة، يكون التمييز بين الجزأين دقيقًا للغاية؛ فالنواة برنامج يعمل في وضع الإشراف، ^{[ g ]} ويعمل كمُحمّل برامج ومُشرف على برامج الأدوات المساعدة الصغيرة التي تُشكّل بقية النظام، ويُوفّر خدمات التأمين والإدخال / الإخراج لهذه البرامج؛ وبخلاف ذلك، لا تتدخل النواة إطلاقًا في مساحة المستخدم .

على مر السنين، تغير نموذج الحوسبة، ولم يعد تعامل يونكس مع كل شيء كملف أو سلسلة بايتات قابلاً للتطبيق عالميًا كما كان سابقًا. فمع أن الطرفية يمكن التعامل معها كملف أو سلسلة بايتات، تُطبع أو تُقرأ منها، إلا أن الأمر لم يكن كذلك بالنسبة لواجهة المستخدم الرسومية . وشكّلت الشبكات مشكلة أخرى. فحتى لو أمكن مقارنة الاتصال الشبكي بالوصول إلى الملفات، فإن بنية يونكس منخفضة المستوى والموجهة نحو الحزم تتعامل مع أجزاء منفصلة من البيانات لا مع الملفات كاملة. ومع نمو قدرات الحواسيب، أصبح يونكس أكثر ازدحامًا بالبرمجيات. ويعود ذلك أيضًا إلى قابلية التوسع الهائلة لنواة يونكس. ^{[ 53 ]} فبينما كانت النواة تحتوي على 100,000 سطر من التعليمات البرمجية في السبعينيات والثمانينيات، فإن نواة أنظمة مثل لينكس ، وخلفاء يونكس الحديثة مثل جنو ، تحتوي على أكثر من 13 مليون سطر. ^{[ 54 ]}

تعتمد مشتقات يونكس الحديثة عمومًا على نواة متجانسة تعتمد على تحميل الوحدات النمطية. ومن أمثلة ذلك نواة لينكس في العديد من توزيعات جنو ، وآي بي إم إيه آي إكس ، بالإضافة إلى نواة توزيعة برمجيات بيركلي المتغيرة مثل فري بي إس دي ، ودراغون فلاي بي إس دي ، وأوبن بي إس دي، ونت بي إس دي ، وماك أو إس . وبغض النظر عن هذه البدائل، يُدير المطورون الهواة مجتمعًا نشطًا لتطوير أنظمة التشغيل ، يضم نواة هواة مكتوبة ذاتيًا، والتي غالبًا ما تشترك في العديد من الميزات مع نواة لينكس، أو فري بي إس دي، أو دراغون فلاي بي إس دي، أو أوبن بي إس دي، أو نت بي إس دي، أو تكون متوافقة معها. ^{[ 55 ]}

أطلقت شركة آبل نظام التشغيل الكلاسيكي ماك أو إس لأول مرة عام 1984، مُرفقًا بجهاز الكمبيوتر الشخصي ماكنتوش . انتقلت آبل إلى تصميم النواة النانوية في نظام ماك أو إس 8.6. في المقابل، يعتمد نظام ماك أو إس الحديث (الذي كان يُسمى في الأصل ماك أو إس إكس) على داروين ، الذي يستخدم نواة هجينة تُسمى إكس إن يو ، والتي تم إنشاؤها من خلال دمج نواة 4.3 بي إس دي ونواة ماخ . ^{[ 56 ]}

صدر نظام التشغيل مايكروسوفت ويندوز لأول مرة عام 1985 كإضافة لنظام التشغيل MS-DOS . ونظرًا لاعتماده على نظام تشغيل آخر، اعتُبرت الإصدارات الأولى من ويندوز، قبل ويندوز 95، بيئة تشغيل (لا ينبغي الخلط بينها وبين نظام التشغيل ). استمر هذا المنتج في التطور خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، حيث أضافت سلسلة ويندوز 9x ميزة العنونة 32 بت وتعدد المهام الاستباقي؛ لكنه انتهى بإصدار ويندوز مي عام 2000.

طوّرت مايكروسوفت أيضًا نظام التشغيل ويندوز إن تي ، وهو نظام ذو واجهة مشابهة جدًا، ولكنه مُصمّم خصيصًا للمستخدمين المحترفين ورجال الأعمال. بدأ هذا النظام مع إصدار ويندوز إن تي 3.1 عام 1993، وطُرح للمستخدمين العاديين مع إصدار ويندوز إكس بي في أكتوبر 2001، ليحل محل ويندوز 9x بنظام تشغيل مختلف تمامًا وأكثر تطورًا. ويستمر هذا النظام مع ويندوز 11 .

يُعتبر تصميم نواة نظام التشغيل ويندوز إن تي نواة هجينة، إذ تحتوي النواة نفسها على مهام مثل مدير النوافذ ومديري الاتصال بين العمليات، مع نموذج نظام فرعي متعدد الطبقات بين العميل والخادم. ^{[ 57 ]} وقد صُممت كنواة مصغرة مُعدّلة ، حيث تأثرت نواة ويندوز إن تي بنواة ماخ المصغرة، لكنها لا تستوفي جميع معايير النواة المصغرة النقية.

البرنامج الإشرافي أو المشرف هو برنامج حاسوبي ، عادة ما يكون جزءًا من نظام التشغيل ، يتحكم في تنفيذ الإجراءات الأخرى وينظم جدولة العمل وعمليات الإدخال/الإخراج وإجراءات الأخطاء والوظائف المماثلة وينظم تدفق العمل في نظام معالجة البيانات .

تاريخياً، ارتبط هذا المصطلح بشكل أساسي بسلسلة أنظمة تشغيل الحواسيب المركزية من شركة IBM بدءاً من نظام التشغيل OS/360 . في أنظمة التشغيل الأخرى، يُطلق على المشرف عموماً اسم النواة.

في CP-40 و CP-67 ، قامت شركة IBM بتجريد حالة المشرف بشكل أكبر من الأجهزة، مما أدى إلى ظهور برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية الذي مكن من المحاكاة الافتراضية الكاملة ، أي القدرة على تشغيل أنظمة تشغيل متعددة على نفس الجهاز بشكل مستقل تمامًا عن بعضها البعض.

في سبعينيات القرن العشرين، قامت شركة IBM بتحديث نظام CP/CMS الخاص بجهاز System/370 تحت اسم Virtual Machine Facility/370 (VM/370). ومن هنا جاء اسم أول نظام من هذا النوع، وهو Virtual Machine أو VM .

على الرغم من أن Mach ، الذي طوره ريتشارد رشيد في جامعة كارنيجي ميلون ، هو أشهر نواة مصغرة للأغراض العامة، فقد طُوّرت نوى مصغرة أخرى لأهداف أكثر تحديدًا. أُنشئت عائلة نوى L4 المصغرة (وخاصة نواة L3 ونواة L4) لإثبات أن النوى المصغرة ليست بالضرورة بطيئة. ^{[ 58 ]} وتستطيع التطبيقات الأحدث مثل Fiasco و Pistachio تشغيل نظام لينكس بجانب عمليات L4 أخرى في مساحات عناوين منفصلة. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

بالإضافة إلى ذلك، فإن QNX عبارة عن نواة مصغرة تستخدم بشكل أساسي في الأنظمة المدمجة ، ^{[ 61 ]} وبرنامج MINIX مفتوح المصدر ، على الرغم من أنه تم إنشاؤه في الأصل لأغراض تعليمية، إلا أنه يركز الآن على أن يكون نظام تشغيل نواة مصغرة موثوقًا للغاية وقادرًا على إصلاح نفسه .