Архитектура на базе ядра в привилегированном режиме

Тема 5. Архитектура ОС

Архитектура на базе ядра в привилегированном режиме

1.1. Концепция архитектуры

1.2. Ядро и вспомогательные модули ОС

1.3. Привилегированный режим ядра и пользовательский режим

1.4. Многослойная структура ОС

Микроядерная архитектура

2.1. Концепция архитектуры

2.2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры

Переносимость ОС

Архитектура на базе ядра в привилегированном режиме

1.1. Концепция архитектуры

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы: ядро и вспомогательные модули. Ядро выполняет все основные функции ОС и работает в особом – привилегированном – режиме.

Приложения выполняются независимо, каждое – в своем собственном адресном пространстве.

Преимущество такой архитектуры заключается в легкой расширяемости ОС: для добавления новой высокоуровневой функции достаточно разработать новое приложение, не касаясь ядра. В противовес этому, внесение изменений в функции ядра может оказаться достаточно сложным – вплоть до полной его перекомпиляции.

Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользователя, считается классической. Она используется, в частности, в большинстве вариантов ОС Unix и с определенными модификациями (см. п. 2.2) – в ОС Windows NT.

1.2. Ядро и вспомогательные модули ОС

· Ядро включает модули, выполняющие основные функции ОС:

w управление процессами;

w управление памятью;

w управление вводом-выводом и файловая система;

w интерфейс прикладного программирования API (Application Program Interface) для поддержки обращений к ядру из приложений.

Для обеспечения высокой скорости работы ОС модули ядра (все или большая часть), являются резидентными, т.е. постоянно находятся в оперативной памяти.

· Вспомогательные модули по выполняемым функциям обычно подразделяются на следующие группы:

w утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (сжатие дисков, их проверка, дефрагментация; архивирование, сбор статистики и т.д.);

w системные обрабатывающие программы (компиляторы, редакторы связей, загрузчики, отладчики, текстовые или графические редакторы);

w библиотеки процедур различного назначения для разработки приложений (математические функции, функции ввода-вывода и т.д.);

w программы, предоставляющие дополнительные услуги (калькулятор, некоторые игры).

По способу оформления эти модули представляют собой либо приложения, т.е. самостоятельные программы (утилиты, системные программы и программы дополнительных услуг), либо процедуры библиотек, вызываемые из приложений.

Вспомогательные модули ОС загружаются в оперативную память только на время выполнения (транзитные модули).

· Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принимает производитель ОС. Так, самостоятельное приложение, имеющее спрос, может быть включено в состав ОС (например, Веб-браузер Internet Explorer), или, наоборот, модуль ОС может превратиться в отдельное приложение.

Все модули (как вспомогательные, так и пользовательские приложения) обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Взаимодействие между ядром и другими модулями

1.3. Привилегированный режим ядра и пользовательский режим

Операционная система для осуществления своих управляющих функций должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Поэтому аппаратура компьютера поддерживает как минимум два режима:

w пользовательский режим (user mode) – для работы приложений;

w привилегированный режим, он же – режим ядра (kernel mode), или режим супервизора (supervisor mode) – для работы ОС или ее частей.

В привилегированном режиме чаще всего работает именно ядро как основная часть ОС. Понятия «ядро» и «привилегированный режим» тесно связаны, поэтому ядро также можно характеризовать как часть ОС, работающую в привилегированном режиме.

Привилегии обеспечиваются за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных со следующими операциями:

- переключением процессора с задачи на задачу;

- управлением устройствами ввода-вывода;

- доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

В пользовательском режиме безусловно запрещено выполнение инструкции перехода в привилегированный режим. Другие инструкции запрещается выполнять при определенных условиях, полностью контролируемых ОС. Например, ввод-вывод данных или доступ к памяти разрешены приложению, если соответствующие ресурсы выделены только этому приложению, и запрещены, если данные (соответственно память) являются общими для ОС и других приложений.

Если аппаратура (процессор) поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты и соответствующих прав доступа. Прямого соответствия между числом аппаратно реализуемых и программно реализуемых уровней привилегий нет. Так, на базе четырех уровней процессоров архитектуры х86 OS/2 строит трехуровневую, а Windows NT и Unix – двухуровневую систему привилегий.

Переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный при системном вызове ядра, а затем обратное переключение повышает устойчивость ОС, но замедляет выполнение системных вызовов.

1.4. Многослойная структура ОС

· Многослойный подход – универсальный и эффективный способ декомпозиции сложных систем, базирующийся на следующих положениях.

w Система представляется как иерархия слоев.

w Функции нижележащего слоя являются примитивами для построения более сложных функций вышележащего слоя.

w Взаимодействие слоев осуществляется через посредство функций межслойного интерфейса.

w Отдельный модуль может либо выполнить свою работу самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться к нижележащему слою через межслойный интерфейс.

При таком подходе разработка системы осуществляется сверху вниз, от целей системы к их реализации. Сначала определяются функции слоев и межслойные интерфейсы, задающие общую структуру системы, а затем разрабатываются модули внутри слоев. Этот подход годится и для анализа сложных систем.

· Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на базе ядра, можно рассматривать как систему из трех иерархически упорядоченных слоев (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Трехслойная структура вычислительной системы

При такой организации ОС приложения могут взаимодействовать с аппаратурой только через слой ядра.

· Многослойная структура ядра

Многослойный подход применим и к структуре ядра как сложного многофункционального комплекса. Обычно выделяют слои, приведенные на рис. 5.3, однако это разбиение достаточно условно.

Рис. 5.3. Многослойная структура ядра ОС

Средства аппаратной поддержки ОС – аппаратные средства, прямо участвующие в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, переключение контекстов процессов, трансляция адресов, защита памяти и т.п.

Машино-зависимые модули – программные модули, в которых отображается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои от особенностей аппаратуры, т.е. позволяет делать модули вышележащих слоев машинно-независимыми (пригодными для всех типов платформ, поддерживаемых данной ОС). Примером может служить слой HAL (Hardware Abstraction Layer) в Windows NT/2000. На уровне HAL работа с устройством определенного типа (накопитель, видеоплата, мышь и т.п.) всегда описывается при помощи одного и того же заранее определенного набора функций. В случае, если устройство имеет иной набор функций (например, устаревший 3d-ускоритель может не поддерживать многих современных функций), драйвер обязан эмулировать стандартные функции с тем, чтобы ОС могла не заботиться о том, какое конкретно устройство установлено.

Базовые механизмы ядра. Модули этого слоя не принимают решений о распределении ресурсов, а только отрабатывают принятые на более высоком уровне решения. Выполняются наиболее примитивные операции ядра: программное переключение контекстов процессов, перемещение страниц между памятью и диском, диспетчеризация прерываний и т.п.

Менеджеры ресурсов. Модули этого уровня реализуют управление основными ресурсами системы. Группировка модулей в менеджеры обычно осуществляется по функциям основных подсистем ОС: выделяются менеджеры процессов, ввода-вывода и файловой системы (могут быть объединены), оперативной памяти.

Интерфейс системных вызовов. Взаимодействует непосредственно с приложениями и систем-ными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс ОС (API).