МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: Операционные системы и среды
на тему: микроядерная архитектура операционных систем
Выполнил: студент гр. _______________
ФИО____________________________
Принял: __________________
Тула, 2013.
Содержание:
Введение....................................................................................................3
1.Микроядерная архитектура, концепция………………...…………..4-7
2. Ядро и вспомогательные модули ОС………………………….……8-11
3. Ядро в привилегированном режиме………………………….……..12-17
4. Многослойная структура ОС………………………………………..18-24
5. Аппаратная зависимость и переносимость ОС……………….....….25
6.Типовые средства аппаратной поддержки ОС……………………...26-29
7. Машинно-зависимые компоненты ОС…………………………..…30-31
8. Переносимость операционной системы……………………………32-34
9. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры…...........35-38
10. Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов….39-40
11. Трансляция библиотек……………………………………………...41-42
12. Способы реализации прикладных программных средств……..…43-47
Вывод………………………………………………………………….…48-49
Список используемой литературы …………………...………………..50
Ведение
Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделяться на части — модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы. Напротив, сложную систему без хорошей структуры чаще проще разработать заново, чем модернизировать.
Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т. д.
Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.
Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы.
1. Микроядерная архитектура, концепция
Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная организация ОС, в соответствии с которой все основные функции операционной системы, составляющие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользовательскими программами (становясь системными утилитами или обрабатывающими программами). Каждое приложение пользовательского режима работает в собственном адресном пространстве и защищено тем самым от какого-либо вмешательства других приложений. Код ядра, выполняемый в привилегированном режиме, имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Приложения обращаются к ядру с запросами на выполнение системных функций.
Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром (рис. 3.10). Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра.
Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.
Рис. 3.10. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство
Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра — файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., — становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.
Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений.
Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.
Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д. Именно поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, то есть модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС.
Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием является наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.
Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом (рис. 3.11). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение.
Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника.
Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения.
Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
Рис. 3.11. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре
2. Ядро и вспомогательные модули ОС
Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:
ядро — модули, выполняющие основные функции ОС;
модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.
Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.
В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами — системными вызовами — для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования — API.
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными. Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.
Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений. Термин «ядро» в разных ОС трактуется по-разному. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме. Этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе.
Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте, дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.
Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями (рис. 3.1).
Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или! нет, принимает производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это решение, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС. Некоторая программа может существовать определенное время как пользовательское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот. Ярким примером такого изменения статуса программы является Web-браузер компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, затем стал частью операционных систем Windows NT 4.0 и Windows 95/98, а сегодня существует большая вероятность того, что по решению суда этот браузер снова превратится в самостоятельное приложение.
Рис. 3.1. Нечеткость границы между ОС и приложениями
Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:
утилиты — программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;
системные обрабатывающие программы — текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;
программы предоставления пользователю дополнительных услуг — специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры; библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т. д.
Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов (рис. 3.2).
Разделение операционной системы на ядро и модули-приложения обеспечивает легкую расширяемость ОС.
Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать ответственные функции, образующие ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации самого ядра. В некоторых случаях каждое исправление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.
Рис. 3.2. Взаимодействие между ядром и вспомогательными модулями ОС
yaneuch.ru
Разделение функций
Основным принципом организации микроядерных ОС является включение в состав микроядра только тех функций, которым абсолютно необходимо выполнять в режиме супервизора и в защищенной памяти. Обычно в микроядро включаются машинно-зависимые программы (включая поддержку мультипроцессорной работы), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний и поддержка пересылки сообщений. Во многих случаях в микроядро включается функция планирования процессов, но в реализации Mach компании IBM планировщик процессов размещен вне микроядра, а микроядро используется только для непосредственного управления процессами. Конечно, при этом требуется тесное взаимодействие внешнего планировщика и входящего в состав ядра диспетчера. В некоторых реализациях (например, в реализации OSF) в микроядро помещаются драйверы устройств. В реализациях IBM и Chorus драйверы размещаются вне микроядра, но для регулирования режимов разрешения и запрещения прерываний часть программы драйвера выполняется в пространстве ядра. В NT драйверы устройств и другие функции ввода-вывода выполняются в пространстве ядра, но реально используют ядро только для перехвата и передачи прерываний. Следует заметить, что оба подхода допускают динамическое подключение драйверов к системе и их отключение. Однако имеются другие доводы в пользу выделения драйверов из состава микроядра. Например, поскольку во многих случаях драйверы могут не зависеть от особенностей аппаратуры, такой подход облегчает переносимость системы.
Mach и IBM
В разрабатывавшейся компанией IBM ОС Workplace (теперь она отказалась от завершения этой ОС) использовалось микроядро Mach 3.0, расширенное в кооперации с OSF средствами поддержки параллельной обработки и реального времени. Микроядро заведовало функциями взаимодействия процессов, управления виртуальной памятью, управления процессами и нитями (threads), управления процессорами (включая мультипроцессорные системы), а также управления вводом-выводом и обработки прерываний. Файловая система, планировщик процессов, сетевые службы и система безопасности вынесены из микроядра. В IBM эти компоненты называют PNS (personally neutral services), поскольку они используются во всех эмуляторах операционных систем. Управление процессами и нитями в Workplace являлись функцией ядра. Но на самом деле в ядре был расположен только диспетчер процессов. Планировщик, ведающий приоритетами, определяющий порядок выполнения и заказывающий диспетчеризацию процессов и нитей, функционировал вне ядра. Управление памятью также распределялось между микроядром и PNS. Ядро управляло аппаратурой страничной памяти. Подсистема управления страничной памятью, работающая вне ядра, определяла стратегию замещения страниц. Подобно планировщику эта подсистема являлась заменяемым компонентом. На уровне PNS могут располагаться не только такие внутренние подсистемы как файловая система и драйверы устройств, но и сетевые службы и даже системы управления базами данных. По мнению IBM, размещение подобных служб в непосредственной близости от микроядра позволит повысить их эффективность за счет сокращения числа вызовов функций и возможно использовать собственные драйверы устройств.
Mach и OSF/1
ОС OSF/1 1.3 также основана на микроядре Mach. IBM является членом OSF, и эти компании обменивались технологиями организации микроядра. Однако по некоторым важным направлениям подходы IBM и OSF различаются. В версии 1.3 весь сервер OSF/1 работает в пользовательском пространстве и использует функции Mach. Почему же OSF решилась на микроядерную реализацию монолитного сервера Unix? Как говорят специалисты OSF, OSF/1 является слишком хорошей и надежной системой, чтобы можно было ее бросить и начать все сначала. В OSF/1 1.3 используется более 90% кода предыдущих версий OSF/1. С другой стороны, чтобы улучшить возможности управления объектами, часть ядра Mach была переписана на Си++. В результате OSF/1 1.3 получилась не такой модульной, как ОС Workplace. Но использовав значительную часть OSF/1, компания OSF смогла раньше IBM получить более или менее полную микроядерную реализацию систему. OSF ориентируется на массивно параллельные аппаратные системы. Активно изучаются вопросы изменения поведения операционной системы при возрастании числа процессоров. В такой системе микроядро Mach будет работать на всех процессорах, а сервер OSF/1 потребуется только на некоторых из них.Как планирует OSF, в будущих версиях OSF/1 на основе Mach будет поддерживаться возможность размещения сервера OSF/1 в пространстве ядра или в пользовательском пространстве в соответствии с выбором системного администратора при конфигурировании системы. Выполнение сервера OSF/1 в пространстве ядра позволит повысить производительность, так как вместо передачи сообщений будут использоваться вызовы процедур, и сервер всегда будет целиком располагаться в памяти. При выполнении сервера в пользовательском пространстве будет возможен его свопинга, что потенциально увеличит память, доступную для программ пользователя. Заметим, что примерно такой же подход используется USL в версиях Unix, основанных на микроядре Chorus. Системные функции будут разработаны и отлажены в пользовательском пространстве, а потом можно будет перенести в пространство ядра для достижения наилучшей производительности.
AT&T и Chorus
Микроядро Chorus во многих отношениях походит на реализации Mach, выполненные IBM и OSF. Chorus включает поддержку распределенных процессоров, нескольких распределенных серверов операционной системы (во многом похожую на комбинацию Mach-OSF/1), управления памятью и обработки прерываний. Поддерживается также прозрачное взаимодействие с другими экземплярами микроядра Chorus, что делает Chorus хорошей основой для сильно распределенных систем. Существует несколько реализаций микроядра Chorus. Chorus/MiX, версия компании Chorus операционной системы с интерфейсами Unix, включает отдельные версии, совместимые с SVR3.2 и SVR4. USL собирается объявить Chorus/MiX V.4 микроядерной реализацией SVR4. USL и Chorus Systems планируют совместную работу по разработке Chorus/MiX V.4 в качестве будущего направления Unix. Специально для использования на персональных компьютерах компания Chorus поддерживает реализацию Chorus/MiX, совместимую с SCO. Драйверы устройств не включаются в ядро. Аналогично подходу IBM, драйверы получают доступ к аппаратуре через ядро. Это дает возможность компоненту более высокого уровня - менеджеру устройств, отслеживать работу драйверов, функционирующих в разных узлах распределенной системы.
Новые микроядерные системы.
Операционная системы SpringOS фирмы Sun, которая пока находится в стадии проектирования и разработки, основывается на микроядре и объектах. Вероятно, в SpringOS будет использоваться значительный объем существующих программ Solaris подобно тому, как в OSF/1 используется существующий сервер OSF/1. Компания Sun не объявляла об использовании какого-либо существующего микроядра и, по-видимому использует собственную разработку.
Зрелые микроядра.
QNX и CTOS - это две зрелые микроядерные операционные системы, поставляемые на протяжении нескольких лет. 8-килобайтное микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Это микроядро обеспечивает всего лишь 14 системных вызовов. Микроядро QNX может быть целиком размещено во внутреннем кэше некоторых процессоров, таких как Intel 486. Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает и управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств. Эти менеджеры исполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим. По утверждениям специалистов компании QNX Software заявляет, что подобная система, основанная на передаче сообщений, имеет производительность, по меньшей мере сравнимую с производительностью других традиционных операционных систем. CTOS, появившаяся в 1980 году, была написана для рабочих станций фирмы Convergent Technologies - семейства машин на основе процессоров Intel для работы в "кластерных сетях", соединенных по обычным телефонным проводам. Продаваемые в настоящее время фирмой Unisys, эти основанные на CTOS машины продемонстрировали преимущества распределенных вычислений на основе передачи сообщений задолго до того, как этот термин стал модным. Крохотное 4-килобайтное микроядро CTOS взяло на себя только планирование и диспетчеризацию процессов и взаимодействие процессов на основе сообщений. Все другие системные службы взаимодействуют с ядром и друг с другом через четко определенные интерфейсы сообщений. Сетевые средства входят в состав CTOS и являются действительно прозрачными для прикладных программ, которым не требуется знать, будет ли обработан запрос на обслуживание локально или удаленно. В любом случае сообщения передает одна и та же система взаимодействия процессов.
myunivercity.ru
Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Постоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.
Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.
3. Ядро в привилегированном режиме
Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Все усилия разработчиков операционной системы окажутся напрасными, если их решения воплощены в незащищенные от приложений модули системы, какими бы элегантными и эффективными эти решения ни были.
Операционная система должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами.
Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы — пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения — в пользовательском режиме.
Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме (рис. 3.3). Иногда это свойство — работа в привилегированном режиме — служит основным определением понятия «ядро».
Рис. 3.3. Архитектура операционной системы с ядром в привилегированном режиме.
Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях.
Например, инструкции ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и всех приложений, но разрешены при доступе к последовательному порту, который выделен в монопольное владение для определенного приложения. Важно, что условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС и этот контроль обеспечивается за счет набора инструкций, безусловно запрещенных для пользовательского режима. Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разрешается, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному приложению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями.
Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкция или инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти (например, изменения ключей защиты памяти в мэйнфреймах IBM или указателя таблицы дескрипторов памяти в процессорах Pentium) разрешается выполнять только в привилегированном режиме.
Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной системой не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от остальных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и операционную систему.
Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых ОС, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.
Эта система может, например, поддерживать несколько уровней привилегий, образующих иерархию. Наличие нескольких уровней привилегий позволяет более тонко распределять полномочия как между модулями операционной системы, так и между самими приложениями.
Появление внутри операционной системы более привилегированных и менее привилегированных частей позволяет повысить устойчивость ОС к внутренним ошибкам программных кодов, так как такие ошибки будут распространяться только внутри модулей с определенным уровнем привилегий.
Дифференциация привилегий в среде прикладных модулей позволяет строить сложные прикладные комплексы, в которых часть более привилегированных модулей может, например, получать доступ к данным менее привилегированных модулей и управлять их выполнением.
На основе двух режимов привилегий процессора ОС может построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, примером которой является типичная система защиты файлов и каталогов. Такая система позволяет задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и каталогов.
Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского 'режима в- привилегированный, а при возврате к приложению — переключение из привилегированного режима в пользовательский (рис. 3.4). В всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.
Рис. 3.4. Смена режимов при выполнении системного вызова к привилегированному ядру
Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала, по существу, классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2, и с определенными модификациями — Windows NT.
В некоторых случаях разработчики ОС отступают от этого классического варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. Так, известная специализированная операционная система NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/ Pentium как для работы ядра, так и для работы своих специфических приложений — загружаемых модулей NLM (рис. 3.5).
При таком построении ОС обращения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения режимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Разработчики NetWare пошли на такое потенциальное снижение надежности своей операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализированных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения.
Рис. 3.5. Упрощенная архитектура операционной системы NetWare
В одном режиме работают также ядро и приложения тех операционных систем, которые разработаны для процессоров, вообще не поддерживающих привилегированного режима работы.
Наиболее популярным процессором такого типа был процессор Intel 8088/86, послуживший основой для персональных компьютеров компании IBM. Операционная система MS-DOS, разработанная компанией Microsoft для этих компьютеров, состояла из двух модулей msdos.sys и io.sys, составлявших ядро системы (хотя название «ядро» для этих модулей не употреблялось, по своей сути они им являлись), к которым с системными вызовами обращались командный интерпретатор command.com, системные утилиты и приложения.
Архитектура MS-DOS соответствует архитектуре ОС, приведенной на рис. 3.2. Некорректно написанные приложения вполне могли разрушить основные модули MS-DOS, что иногда и происходило, но область использования MS-DOS (и многих подобных ей ранних операционных систем для персональных компьютеров, таких как MSX, СР/М) и не предъявляла высоких требований к надежности ОС.
Появление в более поздних версиях процессоров Intel (начиная с 80286) возможности работы в привилегированном режиме не было использовано разработчиками MS-DOS. Эта ОС всегда работает на процессорах данного типа в так называемом реальном режиме, в котором эмулируется процессор 8086/88.
Не следует считать, что реальный режим является синонимом пользовательского режима, а привилегированный режим — его альтернативой. Реальный режим был реализован только для совместимости поздних моделей процессоров с ранней моделью 8086/88 и альтернативой ему является защищенный режим работы процессора, в котором становятся доступными все особенности процессоров поздних моделей, в том числе и работа на одном из четырех уровней привилегий.
4. Многослойная структура ОС
Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный — ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы (рис. 3.6). Слоистую структуру вычислительной системы принято изображать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Действительно, при такой организации ОС приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.
Рис. 3.6. Трехслойная схема вычислительной системы
Многослойный подход является универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа, в том числе и программных. В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс (рис. 3.7).
На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции — более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя.
Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.
Такая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». Кроме того, при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе.
Рис. 3.7. Концепция многослойного взаимодействия
Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра.
Ядро может состоять из следующих слоев:
Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но, вообще говоря, часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэтому иногда можно встретить определение операционной системы как совокупности программных и аппаратных средств, что и отражено на рис. 3.8. К операционной системе относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства аппаратной поддержки ОС, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т. п.
Машинно-зависимые компоненты ОС. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера.
В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры. Это позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной ОС. Примером экранирующего слоя может служить слой HAL операционной системы Windows NT. Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра, такие как программное переключение контекстов процессов, диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т. п. Модули данного слоя не принимают решений о распределении ресурсов — они только отрабатывают принятые «наверху» решения, что и дает повод называть их исполнительными механизмами для модулей верхних слоев.
Например, решение о том, что в данный момент нужно прервать выполнение текущего процесса А и начать выполнение процесса В, принимается менеджером процессов на вышележащем слое, а слою базовых механизмов передается только директива о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса В.
yaneuch.ru
было применять в одно- и мультипроцессорных системах, основанных на процессорах Intel, Mips и Alpha (и тех, которые придут вслед за ними). Поскольку в среде NT должны были выполняться программы, написанные для DOS, Windows, OS/2 и систем, совместимых со стандартами Posix, компания Microsoft использовала присущую микроядерному подходу модульность для создания общей структуры NT, не повторяющей ни одну из существующих операционных систем. Каждая операционная система эмулируется в виде отдельного модуля или подсистемы.
Позднее микроядерные архитектуры операционных систем были объявлены компаниями Novell/USL, Open Software Foundation (OSF), IBM, Apple и другими. Одним из основных конкурентов NT в области микроядерных ОС является Mach 3.0, система, созданная в университете Карнеги-Меллон, которую как IBM, так и OSF взялись довести до коммерческого вида. (Компания Next в качестве основы для NextStep пока использует Mach 2.5, но тоже внимательно присматривается к Mach 3.0.) Другим конкурентом является микроядро Chorus 3.0 компании Chorus Systems, выбранное USL в качестве основы новых реализаций ОС UNIX. Некоторое микроядро будет использоваться в SpringOS фирмы Sun, объектно-ориентированном преемнике ОС Solaris (если, конечно, Sun доведет работу над SpringOS до конца). Очевидна тенденция к переходу от монолитных к микроядерным системам (этот процесс не является прямолинейным: компания IBM сделала шаг назад и отказалась от перехода к микроядерной технологии). Кстати, это совсем не новость для компаний QNX Software Systems и Unisys, которые уже в течение нескольких лет выпускают пользующиеся успехом микроядерные операционные системы. ОС QNX пользуется спросом на рынке систем реального времени, а CTOS фирмы Unisys популярна в области банковского дела. В обеих системах успешно использована модульность, присущая микроядерным ОС.
Заключение
Основные отличия Unix от других OS
Unix состоит из ядра с включенными в него драйверами и из утилит (внешних по отношению к ядру программ). Если надо изменить конфигурацию (добавить устройство, изменить порт или прерывание), то ядро пересобирают (перелинковывают) из обьектных модулей или (напр., во FreeBSD) из исходников. Это не совсем верно. Некоторые параметры пожно поправить без пересборки. Существуют также loadable kernel modules.
В противоположность Unixу Windows (если не уточняется, какая, то имеются в виду 3.11, 95 и NT) и OS/2 при загрузке фактически на ходу прилинковывают драйверы. При этом компактность собранного ядра и повторное использование общего кода на порядок ниже, чем у Unix. Кроме того, при неизменной конфигурации системы ядро Unix без переделки (потребуется изменить только стартовую часть BIOS) может быть записан в ПЗУ и выполняться _не_загружаясь_ в ОЗУ. Компактность кода особенно важна, т.к. ядро и драйверы никогда не покидают физическую оперативную память, не свопятся на диск.
Unix - самая многоплатформенная OS. WindowsNT пытается подражать ему, но пока это плохо удается - после отказа от MIPS и POWER-PC, WNT остались всего на двух платформы - традиционная i*86 и DEC Alpha. Переносимость программ с одной версии Unix на другую ограничена. Неаккуратно написанная программа, не учитывающая различий в реализациях Unix, делающая необоснованные предположения типа переменная integer должна занимать четыре байта может потребовать серьезной переделки. Но все равно это на много порядков легче, чем например пернести с OS/2 на NT.
Области применения Unix
Unix используется как в качестве как сервера, так и рабочей станции. В номинации серверов с ним конкурируют MS WindowsNT, Novell Netware, IBM OS/2 Warp Connect, DEC VMS и операционные системы мэйнфреймов. Каждая система имеет свою область применения, в которой она лучше других.
WindowsNT - для администраторов, которые предпочитают удобный интерфейс экономному расходованию ресурсов и высокой производительности.
Netware - для сетей, где нужна высокая производительность файлового и принтерного сервиса и не столь важны остальные сервисы. Главный недостаток - на сервере Netware трудно запускать приложения.
OS/2 хороша там, где нужен "легкий" сервер приложений. Ресурсов требует меньше чем NT, в управлении гибче (хотя в настройке может и сложнее), а многозадачность очень хорошая. Авторизация и разграничение прав доступа не реализованы на уровне ОС, что с лихвой окупается реализацией на уровне приложений-серверов. (Впрочем, зачастую остальные OS делают то же самое). Многие станции FIDOnet и BBS сделаны на базе OS/2.
VMS - мощный, ничем не уступающий Unixам (а во многом и превосходящий его) сервер приложений, но только для платформ VAX и Alpha фирмы DEC.
Мэйнфреймы - для обслуживания очень большого количества пользователей (порядка нескольких тысяч). Но работа этих пользователей как правило организована в виде не клиент-серверного взаимодействия, а в виде хост-терминального. Терминал же в этой паре скорее не клиент, а сервер (Мир Internet, N3 за 1996-й год). К преимуществам мэйнфреймов надо отнести более высокую защищенность и устойчивость к сбоям, а к недостаткам - соответствующую этим качествам цену.
Unix хорош для квалифицированного (или желающего стать таковым) администратора, т.к. требует знания принципов функционирования происходящих в нем процессов. Реальная многозадачность и жесткое разделение памяти обеспечивают высокую надежность функционирования системы, хотя в производительности файл- и принт-сервисов Unixы уступают Netware.
Недостаточная гибкость предоставления прав доступа пользователей к файлам по сравнению с WindowsNT затрудняет организацию _на_уровне_файловой_системы_ группового доступа к данным (точнее, к файлам), что
www.studsell.com
