Принципы построения ОС

1. Частотный принцип.

Этот принцип основан на выделении в алгоритмах программ и в обрабатываемых массивах действий и данных по частоте их использования. Действия и данные, используемые часто, располагаются в оперативной памяти, т.к. к ним необходим быстрый доступ. К тому же стремятся наиболее часто выполняемые операции оптимизировать по времени выполнения и по занимаемой памяти.

Следствия от применения частотного принципа – это применение многоуровневого планирования при организации работы ОС. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие и длинные операции управления деятельностью системы. Краткосрочному планированию подвергаются часто используемые и короткие операции.

2. Принцип модульности.

Это принцип в равной степени отражает технологические и эксплуатационные свойства. Наибольший эффект от его использования достигается в том случае, когда принцип одновременно распространен на ОС, аппаратуру и прикладные программы.

Под модулем в общем случае понимают функциональный элемент рассматриваемой системы, имеющей законченное оформление и выполненный в пределах требования ОС, а также средства сопряжения с подобными элементами или элементами более высокого уровня данной или другой системы.

Модуль предполагает лёгкий способ его замены на другой модуль, при наличии заданных интерфейсов. Чаще всего разделение на модули происходит по функциональному признаку.

Модули могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Если модуль после окончания работы не восстанавливается в исходное состояние, то он называется однократным. Если модуль в процессе работы искажает своё состояние, но перед окончанием работы восстанавливается в исходное состояние, то его называют многократным. Особое значение при построении ОС имеют модули, называемые параллельно используемыми или реентерабельными. Каждый такой модуль может использоваться одновременно несколькими программами. Это позволяет хранить в памяти только одну копию такого модуля.

3. Принцип функциональной избирательности.

В ОС выделяется некоторая часть особо важных модулей, которые должны быть в оперативной памяти постоянно для эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть обычно называют ядром ОС.

При формировании ядра необходимо удовлетворить двум противоречивым требованиям:

– в состав ядра должны войти наиболее часто используемые модули;

– количество модулей должно быть таким, чтобы не занимать много оперативной памяти;

В состав ядра входят модули по управлению системой прерываний, средства перевода процессов с одного состояния в другое, средства распределения оперативной памяти. Программы, входящие в состав ядра, обычно загружаются в оперативную память и называются резидентными.

Помимо резидентных программ существуют транзитные модули или программы, которые загружаются только при необходимости и могут перекрывать в оперативной памяти друг друга.

4. Принцип генерируемости.

Определяет такой способ исходного представления ОС, который позволял бы настраивать эту системную программу, исходя из конкретной конфигурации используемой машины и круга решаемых задач.

Процедура генерации проводится достаточно редко, а процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и входного языка для неё, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Исходный набор программ ОС, из которого производится генерация называется дистрибутивом.

5. Принцип функциональной избыточности.

Предполагает возможность проведения одной и той же работы различными средствами, т.е. ОС допускает альтернативное выполнение одних и тех же заданий в различных режимах своего функционирования.

6. Принцип по умолчанию.

Принцип основан на хранении в системе некоторых базовых описании, структур процесса, модулей, конфигурации оборудования и данных, определяющих прогнозируемые объемы требуемой памяти, времени счета программы, потребности во внешних устройствах, которые характеризуют пользовательские программы и условия их выполнения.

Эту информацию пользовательская система использует в качестве заданной, если она не будет определена или сознательно конкретизирована. В целом применение этого принципа позволяет сократить число параметров, устанавливаемых пользователем, когда он работает с системой.

7. Принцип перемещаемости.

Предусматривает построение модулей таким образом, что их исполнение не зависит от места расположения в оперативной памяти. Настройка текста модуля в соответствии с его расположением в памяти осуществляется специальными механизмами либо непосредственно пред выполнением программы, либо по мере по мере ее выполнения.

Настройка заключается в определении фактических адресов, используемых в адресных частях команды, и определяется применяемым в конкретной машине способом адресации и алгоритмом распределения оперативной памяти, принятым для данной ОС.

Этот принцип целесообразно распространять и на пользовательские программы.

8. Принцип защиты.

Определяет необходимость разработки мер, ограждающих программы и данные пользователя от искажения и нежелательного влияния друг на друга, а также пользователя на ОС и наоборот. Особенно трудно обеспечить защиту, когда используется разделение ресурсов.

Программы должны быть гарантированно защищены как при выполнении, так и при хранении, хотя попыток испортить и нанести нежелательный эффект пользовательским программам совершается множество.

Реализуется несколько подходов для обеспечения защиты.

Одним из направлений является реализация двухконтекстности работы процессора: в каждый момент времени процессор может выполнять программу из состава ОС либо прикладную или служебную программу, не входящую в состав ОС.

Второе направление состоит в том, чтобы гарантировать невозможность непосредственного доступа к любому разделяемому ресурсу со стороны пользовательских и служебных программ, для чего в состав машинных команд вводятся специальные привилегированные команды, управляющие распределением и использованием ресурсов. Такие команды разрешается выполнять только ОС. Контроль за выполнением привилегированных команд производится аппаратно.

Для реализации принципов защиты может использовать контекстный механизм защиты данных и текста программ, находящийся в операционной памяти. Для программ пользователей выделяются определенные участки памяти и выход за пределы этих участков приводит к возникновению прерываний по защите. Механизм контроля реализуется аппаратным способом, путем применения ограничительных регистров или ключей памяти.

Третье направление реализует механизм защиты данных, хранящихся в памяти, используются подходы, основанные на разграничении прав доступа, введении паролей, контроле за правильной интерпретацией данных, записанных в файле.

9. Принцип независимости программ от внешних устройств.

Позволяет выполнять операции управления внешними устройствами независимо от их конкретных физических характеристик. Связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программ, а в период планирования ее выполнения. При подключении новых устройств или замене существующих, текст программ не изменяется, а осуществляется подключение нового устройства к ОС путём подключения специальной программы, обеспечивающей взаимодействие ОС с внешним устройством. Такие программы называются драйверами.

10. Принцип открытой и наращиваемой операционной системы.

Открытая ОС доступна пользователю и специалисту, обслуживающему машину, а возможность наращивания или модификации операционной системы позволяет использовать не только возможности генерации, но вводить в операционную систему новые модули или модифицировать существующие.