Текст лекции. Лекция № 2. Архитектура операционных систем

Ключевые вопросы

Лекция № 2. Архитектура операционных систем. Часть 1

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

· Цель и задачи курса.

· Информация и данные.

· Основные понятия и определения: дисковые операционные системы (ДОС); ОС общего назначения; системы промежуточных типов, Системы виртуальных машин; Системы реального времени; Системы кросс-разработки; системы промежуточных типов.

· Основные понятия и определения:Микроядро.

· История развития систем.

· Назначение и основные компоненты СБД.

· Монолитные операционные системы..

Структура и сложность операционных систем существенно изменяется по мере развития, как самих операционных систем, так и аппаратного обеспечения [2]. Операционная система CTSS, разработанная в Массачусетском технологическом институте (МТИ) в 1963 году занимала в памяти около 36 тысяч 36-разрядных слов. OS/360, разработанная фирмой IBM через год, содержала уже более миллиона машинных команд. Система Multics, совместно разработанная специалистами МТИ и Bell Laboratories в 1975 году содержала уже около 20 миллионов команд.

Увеличение размера и сложности операционных систем привело к возникновению трех распространенных проблем:

- операционные системы доходят до пользователя с существенным опозданием,

- в системах присутствуют скрытые ошибки, требующие исправления,

- рост производительности операционных систем не так велик, как хотелось бы.

Пути решения эти проблем, вообще говоря, достаточно очевидны:

- система должна состоять из модулей – это упрощает ее написание и отладку,

- модули должны иметь тщательно разработанные и максимально простые интерфейсы – это также облегчает написание и отладку, а также внесение изменений в систему.

Несмотря на очевидность такого решения, оказалось, что для сложных систем, состоящих и миллионов и более строк, оно не избавляет от всех проблем.

Структура операционной системы во многом зависит от того, к какому из типов она относится. Типов операционных систем можно выделить много, однако по большому счету можно выделить следующие:

- микроядерные,

- монолитные,

- многоуровневые,

- виртуальные машины,

- экзоядро,

- модель клиент-сервер.

4.2.1 Микроядро — до 15 мин.

Микроядро – это минимальная часть операционной системы, являющаяся основой для модульных и переносимых расширений. Основная идея микроядра – создать необходимую среду верхнего уровня, из которой можно получить доступ ко всем функциям уровня аппаратного обеспечения [3].

В микроядре содержится минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. К этим вызовам относятся передача сообщений и другие коммуникации между внешними по отношению к ядру процессами, управление прерываниями и некоторые другие функции. Остальные функции реализуются как модульные дополнения, взаимодействующие между собой с помощью сообщений.

Микроядро работает с наивысшим приоритетом и обеспечивает работу остальной части операционной системы как набора серверных приложений. Технология микроядра Mach (мэк) создана в университете Карнеги Меллон и служит основой многих операционных систем.

Функциональность микроядра ограничена с целью сокращения его размеров и перевода большей части операционной системы в ранг прикладной программы. Обычно микроядро поддерживает пять различных типов сервисов [3]:

- управление виртуальной памятью,

- управление заданиями и потоками,

- межпроцессные коммуникации (IPC – inter-process communication),

- управление вводом-выводом и прерываниями,

- обеспечение клиент-серверного сервиса.

Другие функции операционной системы размещаются в других сервисах ОС, работающих как приложения микроядра.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем [4]. В привилегированном режиме работает только очень небольшая часть операционной системы, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и от приложений. Набор функций микроядра соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Это те функции, которые нельзя выполнить в пользовательском режиме. На рисунке 1.2 показан механизм переноса основного объема функций ядра в пространство пользователя [4].

Благодаря своим размерам и способности поддерживать стандартные сервисы программирования микроядро проще ядер монолитных или модульных операционных систем.

Рисунок 4.1 – Перенос основного объема функций ядра в пространство пользователя

Все остальные функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначных рекомендаций о том, какие из системных функций следует выполнять в привилегированном режиме, а какие в пользовательском, не существует.

Менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, так как их основным назначением является обслуживание запросов приложений и других модулей ОС. Для реализации этого механизма необходимо наличие в ОС эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка этого механизма и является основной функцией микроядра.

На рисунке 4.2 показан механизм обращения к функциям ОС, оформленных в виде серверов. Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент операционной системы, 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 ко всем адресным пространствам, поэтому может работать в качестве посредника. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.

Наиболее ярким представителем микроядерных ОС является операционная система реального времени QNX. Микроядро QNX планирует только планирование и диспетчеризацию процессов, их взаимодействие, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Такое микроядро обеспечивает лишь два десятка системных вызовов и имеет размер от 8 до 46 килобайт.

Рисунок 4.2 – Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре

Для построения минимальной системы QNX к микроядру следует добавить менеджер процессов, который создает процессы, управляет ими и их памятью. Для применения QNX в настольной ПЭВМ, к микроядру следует добавить также файловую систему и менеджер устройств.

Все эти менеджеры выполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим.

Рассмотрим кратко достоинства и недостатки микроядерных ОС. К достоинствам их можно отнести:

- переносимость, обусловленная тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре,

- расширяемость, обусловленная ограниченным набором четко определенных интерфейсов микроядра; добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра,

- надежность, обусловленная тем, что каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в собственной области памяти, что защищает его от других серверов ОС (в традиционной операционной системе все модули могут влиять друг на друга); повышению надежности способствует также уменьшенный объем кода микроядра,

- пригодность для распределенных вычислений, так как использует механизмы клиент-серверного взаимодействия, причем серверы микроядерной ОС могут находиться как на одном, так и на разных компьютерах.

Основным недостатком микроядерной ОС является сниженная по сравнению с классической ОС производительность. Дело в том, что при классической организации ОС выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной архитектуре – четырьмя. Ситуация иллюстрируется рисунком 4.3.

Рисунок 4.3 – Смена режимов при выполнении системного вызова

Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT [3]. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая оболочка и высокоуровневые драйверы графических устройств были включены в состав сервера пользовательского режима, и вызов этих функций осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако, разработчикам стало ясно, что такой механизм существенно снижает быстродействие системы, поэтому в версии 4.0 перечисленные выше модули были включены в ядро. Этот факт отдалил ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но сделал систему более производительной.

4.2.2 Монолитные ОС — до 15 мин.

Монолитные операционные системы являются противоположностью микроядерных ОС. В монолитной ОС, даже если она сильно структурирована, очень трудно удалить изменить или добавить уровень или модуль.

В общем случае организация монолитной системы представляет собой «большой беспорядок». Структура такой системы обычно отсутствует вообще. Монолитная операционная система написана в виде набора процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При этом каждая из процедур имеет строго определенный интерфейс в терминах параметры–результаты. Здесь по существу полностью отсутствует попытка сокрытия деталей реализации системы – каждая процедура видит любую другую.

При обращении к системным вызовам, поддерживаемым операционной системой, параметры помещаются в строго определенные места – регистры или стек, после чего выполняется специальная команда, называемая вызовом ядра или вызовом супервайзера. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра и передает управление операционной системе. Операционная система проверяет параметры вызова, определяет, какой системный вызов должен быть выполнен и обращается к таблице или массиву с номером системного вызова в качестве индекса. В соответствующем элементе массива или таблицы содержится ссылка на процедуру обработки этого вызова. Такая организация операционной системы предполагает наличие, все же, определенной структуры:

- главная программа, вызывающая требуемую служебную процедуру,

- набор служебных процедур, выполняющих системные вызовы,

- набор утилит, обслуживающих служебные процедуры.

На рисунке 4.4 изображена указанная структура разделения процедур на три уровня.

Рисунок 4.4 – Простая модель монолитной системы

Обобщением модели, изображенной на рисунке 1.5 является организация операционной системы в виде уровней иерархии и уровней абстракции [2]. В иерархической структуре современной операционной системы различные функции находятся на разных уровнях иерархии, в зависимости от их сложности, характеристик и уровня абстракции. Работа компонентов одного уровня основана на работе компонентов низших уровней. В идеале изменение одного уровня не должно влиять на все остальные уровни.