В каком случае приложение может получить статус модуля операционной системы

Обновлено: 06.01.2025

Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделятся на модули, имеющие законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы, а вот сложную систему, не обладающую хорошей структурой, но с понятной, логичной организацией бывает проще разработать заново, чем модернизировать. Качественная проработка структуры и внутренних межмодульных взаимодействий ОС является одной из важнейших задач, встающих перед разработчиками системы. Ошибки на этом этапе могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу системы.

Функциональная сложность ОС неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Не существует какой-либо единой архитектуры, но есть универсальные подходы к структурированию ОС.

Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение всех её модулей на две группы:

1)ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;

2) модули ОС, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.д. Ядро составляет самую главную часть ОС, без которой она является полностью неработоспособной и не может выполнять ни одну из своих функций. В ядре решаются внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, недоступные для приложений. Особый класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами –системным вызовамидля 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 (Application Programming Interface).

В соответствии со своим назначением функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями ОС, поэтому скорость их выполнения влияет на общую производительность вычислительной системы. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными модулями ОС. Вследствие ограниченности такого ресурса системы, как оперативная память, важное значение имеет размер этих постоянно размещенных в памяти модулей. Если разработчик по каким-либо причинам сделает их слишком большими и громоздкими, то производительность ОС резко снизится, поскольку значительная часть ресурсов будет использоваться самой системой для обеспечения собственной работы.

Ядро – это основной элемент всех вычислительных процессов в системе, поэтому крах ядра приводит к краху всей вычислительной системы. Следовательно, разработчики ОС должны уделять надежности кодов ядра особое внимание, даже если при этом процесс их написания и отладки занимает очень длительное время. Как правило, ядро ОС оформляется в виде программного модуля специального формата, отличного от формата обычных пользовательских приложений.

Вспомогательные модули ОС выполняют не столь важные, как ядро, функции. Например, это могут быть программы архивирования данных, редактирования текстов и многое другое. Вспомогательные функции ОС, как правило, оформляются либо в виде пользовательских приложений, либо в виде библиотек процедур и функций. Вследствие того, что часть компонентов ОС разрабатывается в виде обычных приложений, имеющих стандартный для данной ОС формат, то зачастую очень сложно отделить вспомогательные модули ОС от обычных пользовательских приложений. По этой причине возникает некоторая размытость границ ОС. Решение о принадлежности какой-либо программы операционной системе принимает производитель ОС. Примером этого может являться web-браузер Internet Explorer компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, а впоследствии стал частью ОС Windows 98 и Windows NT 4.0.

Вспомогательные модули ОС, в свою очередь, делятся на следующие основные группы:

1) утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения вычислительной системы, например программы архивации данных, сжатия дисков, тестирования дисков;

2) системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики и другие программы, входящие в комплект поставки данной ОС;

3) программы предоставления пользователю дополнительных услуг – нестандартный вариант пользовательского интерфейса, включающий вспомогательные и даже игровые программы;

4) библиотеки процедур и функций различного назначения, облегчающие разработку пользовательских приложений, например библиотека математических функций, функций работы с устройствами ввода-вывода и т.д.

Как и обычные пользовательские приложения, все перечисленные группы вспомогательных модулей при выполнении своих задач обращаются к функциям ядра ОС. Схема взаимодействия ядра, вспомогательных модулей ОС и пользовательских приложений приведена на рисунке 1.

За счет разделения ОС на ядро и вспомогательные модули обеспечивается легкая расширяемость ОС. Действительно, для добавления новой высокоуровневой функции достаточно разработать соответствующее приложение, при этом не требуется модифицировать функции, составляющие ядро системы. С учетом того, что вспомогательные модули системы, как правило, оформляются в виде стандартных пользовательских приложений, их модификация или замена старых версий на более новые производится достаточно просто и может быть выполнена даже обычным пользователем с применением специальной системной утилиты – мастера обновлений. Достаточно только получить от производителя ОС файлы с обновленными модулями, запустить мастер обновления и указать ему расположение этих файлов. Гораздо более сложным является внесение изменений в функции ядра. Произвести такие действия по силам только квалифицированному специалисту, причем в зависимости от структурной организации ядра для этого может потребоваться даже полная его перекомпиляция.

Вспомогательные модули ОС обычно загружаются в оперативную память вычислительной системы только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными модулями ОС. Постоянно в оперативной памяти находятся лишь наиболее важные программы ОС, составляющие ее ядро. Применение подобной организации позволяет рационально использовать такой ресурс вычислительной системы, как оперативная память.

Требование обеспечения надежности выполнения приложений приводит к необходимости наличия у ОС некоторых привилегий. Необходимо предотвратить возможность вмешательства в работу ОС или разрушения какой-либо ее части вследствие выполнения некорректно работающих приложений. ОС должна обладать исключительными правами по отношению к другим приложениям. В мультипрограммных системах это просто необходимо для разрешения споров из-за ресурсов вычислительной системы между приложениями. Ни одно приложение не должно иметь возможности получать область оперативной памяти, занимать процессор или управлять другими ресурсами вычислительной системы без ведома ОС.

Несомненно, что обеспечение соответствующих привилегий ОС требует не только соответствующей программной, но и аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна иметь возможность работать как минимум в двух режимах – пользовательском режиме (user mode) и привилегированном режиме, который также называется режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). В пользовательском режиме работы запрещено выполнение некоторых критичных для системы команд, связанных с переключением процессора между задачами, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Некоторые команды в пользовательском режиме запрещено выполнять безусловно (например, команду перехода к привилегированному режиму работы), тогда как выполнение других запрещено только при определенных условиях. Однако контроль за выполнением этих условий находится в ведении ОС и обеспечивается за счет набора команд, которые безусловно запрещены для пользовательского режима. Например, контроль за доступом к памяти достигается за счет того, что команды конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме, при этом пользовательскому приложению запрещается обращение к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Таким образом становится возможной локализации некорректно работающего приложения в собственной области памяти, и его ошибки не влияют на остальные приложения и ОС.

Поддержка хотя бы двух уровней привилегий на уровне аппаратуры позволяет ОС программным путем построить многоуровневую иерархическую систему привилегий, обеспечивающую более качественное распределение полномочий между модулями ОС. Такой подход применяется для повышения устойчивости ОС к внутренним ошибкам программных кодов. Кроме того, многоуровневая система привилегий позволяет разработчикам ОС создавать более сложные алгоритмы управления вычислительным процессом с целью повышения рациональности использования разделяемых ресурсов.

Как уже было сказано, в ядре ОС осуществляются все основные функции. Вследствие этого именно ядро становится той частью ОС, которая выполняется в привилегированном режиме, а пользовательские приложения, соответственно, – в пользовательском режиме. Повышение устойчивости и надежности ОС, обеспечиваемое за счет работы ядра в привилегированном режиме, тем не менее приводит к замедлению выполнения приложений, поскольку для переключения процессора из пользовательского режима в привилегированный и обратно требуется некоторое, пусть и небольшое, время (рис. 2). Следовательно, во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Описанная выше архитектура, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала классической. Ее применяют многие популярные ОС, в том числе версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2.

В процессорах Intel, используемых в персональных компьютерах, возможность работы в привилегированном режиме появилась уже начиная с процессора 80286. Однако разработчики широко распространенной ОС MS-DOS не использовали это свойство и их ОС всегда работает в так называемом реальном режиме. Некорректно написанные приложения вполне могут разрушить основные модули MS-DOS, что приведет к краху системы.

Многослойная структура ОС

Любая ОС является комплексом аппаратных и программных средств со сложными внутрисистемными связями. Поэтому разработка подобных систем требует применения специальных подходов и методов, позволяющих хотя бы в какой-то мере облегчить процесс проектирования и уменьшить количество ошибок взаимодействия между различными компонентами системы.

Существует универсальный и эффективный подход к построению сложной системы любого типа – многослойный подход. В соответствии с ним система делится на иерархию слоев, каждый из которых обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, образующих так называемый межслойный интерфейс. Основываясь на функциях, предоставляемых нижележащим слоем, вышележащий слой строит свои более мощные функции, являющиеся основой для создания функций еще более высокого в иерархии слоя. Межслойные интерфейсы, с помощью которых происходит взаимодействие слоев, строго оговорены, тогда как связи между модулями внутри одного слоя могут быть произвольными.

Описанная организация системы существенно упрощает разработку, поскольку позволяет сначала определить “сверху вниз” функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно нарастить мощность функций слоев, двигаясь “снизу вверх”. Также важную роль играет возможность модификации модулей внутри слоя без изменения связанных с ним слоев при условии, что межслойные интерфейсы останутся неизменными. Разработчик, например, может усовершенствовать алгоритм какого-либо модуля одного из слоев, обеспечив тем самым повышение надежности или скорости его работы. При этом ему не придется вносить никаких изменений ни в один из выше или нижележащих слоев.

Если применить описанный подход к вычислительной системе, работающей под управлением ОС, построенной по классической архитектуре, то ее можно представить как систему, состоящую из трех иерархически связанных слоев, каждый из которых взаимодействует только со смежным ему слоем (рис. 3). При этом нижний слой составляет аппаратура, средний включает в себя ядро, а самый верхний – утилиты, системные обрабатывающие программы и приложения.

Однако не только система в целом, но и ядро ОС является сложным многофункциональным комплексом программ, а значит к нему, в свою очередь, также можно применить многослойный подход. Как правило, в ядре классической ОС выделяют следующие основные слои (рис. 4):

Приведенное деление ядра на слои является достаточно условным и в реальных ОС количество слоев, а также распределение функций между ними может быть несколько иным. Это обусловлено аппаратной платформой, для которой разрабатывается ОС, сферой использования ОС, соображениями разработчиков и т.п. Задача деления ядра на слои является крайне ответственной и важной. В самом деле, неоправданное увеличение числа слоев приводит к замедлению работы системы из-за увеличения времени межслойных взаимодействий. В целях ускорения работы ядра и ОС в целом разработчики могут прибегать к нарушению иерархии слоев, при этом возможны ситуации, когда вышележащий слой обращается к функциям нижних слоев, минуя промежуточные. Уменьшение количества слоев ядра оказывает отрицательное влияние на логичность и расширяемость ОС. Особенно сильно такие нарушения могут сказаться на переносимости ОС, если какой-либо из вышележащих слоев содержит машинно-зависимые функции. В этом случае особенности конкретной аппаратной платформы не локализуются в пределах одного из нижних слоев, и перенос такой системы с одного типа аппаратуры на другой является весьма трудновыполнимой задачей.

Статьи к прочтению:

Похожие статьи:

Под архитектурной операционной системы понимают структурную и функциональную организацию ОС на основе некоторой совокупности программных модулей. В состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода ), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т.д.

На архитектуру ранних операционных систем обращалось мало внимания: во-первых, ни у кого не было опыта в разработке больших программных систем, а во-вторых, проблема взаимозависимости и взаимодействия модулей недооценивались. В подобных монолитных ОС почти все процедуры могли вызывать одна другую. Такое отсутствие структуры было несовместимо с расширением операционных систем. Первая версия ОС OS/360 была создана коллективом из 5000 человек за 5 лет и содержала более 1 млн строк кода. Разработанная несколько позже операционная система Multics содержала к 1975 году уже 20 млн строк. Стало ясно, что разработка таких систем должна вестись на основе модульного программирования.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированное модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой унифицированной архитектуры ОС не существует, но известны универсальные подходы к структурированию ОС. Принципиально важными универсальными подходами к разработке архитектуры ОС являются [4, 13, 22]:

модульная организация;
функциональная избыточность;
функциональная избирательность;
параметрическая универсальность;
концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;
разделение модулей на 2 группы по функциям – ядро, модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;
разделение модулей ОС на 2 группы по размещению в памяти вычислительной системы – резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время пополнения своих функций;
реализация двух режимов работы вычислительной системы – привилегированного режима (или режима ядра – Kernel mode ),или режима супервизора ( supervisor mode ), и пользовательского режима ( user mode ), или режима задачи (task mode);
ограничение функций ядра (а следовательно, и количества модулей ядра) до минимального количества необходимых самых важных функций.

Первые ОС разрабатывались как монолитные системы без четко выраженной структуры (рис.3.4).

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра UNIX или Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа).

Однако даже такие монолитные системы могут быть немного структурированными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, параметры помешаются в строго определенные места, такие как регистры или стек , а затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого ОС индексирует таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру.

Такая организация ОС предполагает следующую структуру [28]:

главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры;
набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы;
набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам. Это деление процедур на три слоя показано на рис.3.5.

Классической считается архитектура ОС, основанная на концепции иерархической многоуровневой машины, привилегированном ядре и пользовательском режиме работы транзитных модулей. Модули ядра выполняют базовые функции ОС: управление процессами , памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину ОС, без которой она является полностью неработоспособной и не может выполнить ни одну из своих функций. В ядре решаются внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, недоступные для приложения.

Рис. 3.5. Усовершенствованная структура монолитной системы

Особый класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемою прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например, открытие и чтение файла , получение системного времени, вывода информации на дисплей и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API ( Application Programming Interface ).

Для обеспечения высокой скорости работы ОС модули ядра ( по крайней мере, большая их часть) являются резидентными и работают в привилегированном режиме ( Kernel mode ). Этот режим обеспечивает, вопервых, безопасность работы самой ОС от вмешательства приложений, и, во-вторых, возможность работы модулей ядра с полным набором машинных инструкций, позволяющих собственно ядру выполнять управление ресурсами компьютера, в частности, переключение процессора с задачи на задачу, управление устройствами ввода-вывода, распределением и защитой памяти и др.

Остальные модули ОС выполняют не столь важные, как ядро , функции и являются транзитными. Например, это могут быть программы архивирования данных, дефрагментации диска , сжатие дисков, очистки дисков и т.п.

Вспомогательные модули обычно подразделяются на группы:

утилиты – программы, выполняющие отдельные задачи управления и сопровождения вычислительной системы;
системные обрабатывающие программы – текстовые и графические редакторы (Paint, Imaging в Windows 2000), компиляторы и др.;
программы представления пользователю дополнительных услуг (специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры, средства мультимедиа Windows 2000);
библиотеки процедур различного назначения, упрощения разработку приложений, например, библиотека функций ввода-вывода, библиотека математических функций и т.п.

Эти модули ОС оформляются как обычные приложения, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов и выполняются в пользовательском режиме ( user mode ). В этом режиме запрещается выполнение некоторых команд, которые связаны с функциями ядра ОС ( управление ресурсами , распределение и защита памяти и т. п.).

В концепции многоуровневой (многослойной) иерархической машины структура ОС также представляется рядом слоев. При такой организации каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс . На основе этих функций следующий верх по иерархии слой строит свои функции – более сложные и более мощные и т.д. Такая организация системы существенно упрощает ее разработку, т. к. позволяет сначала "сверху вниз" определить функции слоев и межслойные интерфейсы, а при детальной реализации, двигаясь "снизу вверх", наращивать мощность функции слоев. Кроме того, модули каждого слоя можно изменять без необходимости изменений в других слоях (но не меняя межслойных интерфейсов!).

Многослойная структура ядра ОС может быть представлена, например, вариантом, показанным на рис.3.6.

Рис. 3.6. Многослойная структура операционной системы

В данной схеме выделены следующие слои.

Средства аппаратной поддержки ОС. Значительная часть функций ОС может выполняться аппаратными средствами [13]. Чисто программных ОС сейчас не существу-ет. Как правило, в современных системах всегда есть средства аппаратной поддержки ОС, которые прямо участвуют в организации вычислительного процесса. К ним относятся: система прерываний, средство поддержки привилегированного режима, средства поддержки виртуальной памяти, системный таймер , средство переключения контекстов процессов (информация о состоянии процесса в момент его приостановки), средство защиты памяти и др.
Машинно-зависимые модули ОС. Этот слой образует модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. Назначение этого слоя – "экранирование" вышележащих слоев ОС от особенностей аппаратуры (например, Windows 2000 – это слой HAL , Hardware Abstraction Layer , уровень аппаратных абстракций).
Базовые механизмы ядра. Этот слой модулей выполняет наиболее примитивные операции ядра: программное переключение контекстов процессов , диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц между основной памятью и диском и т.п. Модули этого слоя не принимают решений о распределении ресурсов, а только обрабатывают решения, принятые модулями вышележащих уровней. Поэтому их часто называют исполнительными механизмами для модулей верхних слоев ОС.
Менеджеры ресурсов . Модули этого слоя выполняют стратегические задачи по управлению ресурсами вычислительной системы. Это менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода-вывода, оперативной памяти и файловой системы. Каждый менеджер ведет учет свободных и используемых ресурсов и планирует их распределение в соответствии запросами приложений.
Интерфейс системных вызовов. Это верхний слой ядра ОС, взаимодействующий с приложениями и системными утилитами , он образует прикладной программный интерфейс ОС. Функции API обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной компактной форме, без указания деталей их физического расположения.

Повышение устойчивости ОС обеспечивается переходом ядра в привилегированный режим. При этом происходит некоторое замедление выполнение системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – обратное переключение. За счет этого возникает дополнительная задержка в обработке системного вызова (рис.3.7). Однако такое решение стало классическим и используется во многих ОС ( UNIX , VAX , VMS , IBM OS/390, OS/2 и др.).

Многослойная классическая многоуровневая архитектура ОС не лишена своих проблем. Дело в том, что значительные изменения одного из уровней могут иметь трудно предвидимое влияние на смежные уровни. Кроме того, многочисленные взаимодействия между соседними уровнями усложняют обеспечение безопасности. Поэтому, как альтернатива классическому варианту архитектуры ОС, часто используется микроядерная архитектура ОС.

Суть этой архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме оста-ется работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В его состав входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые механизмы обычного ядра. Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются как модули, работающие в пользовательском режиме. Так, менеджеры ресурсов , являющиеся неотъемлемой частью обычного ядра, становятся "периферийными" модулями, работающими в пользовательском режиме. Таким образом, в архитектуре с микроядром традиционное расположение уровней по вертикали заменяется горизонтальным. Это можно представить, как показано на рис.3.8.

Рис. 3.8. Архитектура операционной системы с микроядром

Схематично механизм обращений к функциям ОС, оформленным в виде серверов, выглядит, как показано на рис.3.9.

Рис. 3.9. Клиент-серверная архитектура операционной системы

Схема смены режимов при выполнении системного вызова в ОС с микроядерной архитектурой выглядит, как показано на рис.3.10.

Рис. 3.10. Выполнение системного вызова в операционной системе с микроядром

Из рисунка ясно, что выполнение системного вызова сопровождается четырьмя переключениями режимов (4 t), в то время как в классической архитектуре – двумя. Следовательно, производительность ОС с микроядерной архитектурой при прочих равных условиях будет ниже, чем у ОС с классическим ядром.

В то же время признаны следующие достоинства микроядерной архитектуры [36]:

единообразные интерфейсы;
простота расширяемости;
высокая гибкость;
возможность переносимости;
высокая надежность;
поддержка распределенных систем;
поддержка объектно-ориентированных ОС.

По многим источникам вопрос масштабов потери производительности в микроядерных ОС является спорным. Многое зависит от размеров и функциональных возможностей микроядра. Избирательное увеличение функциональности микроядра приводит к снижению количества переключений между режимами системы, а также переключений адресных пространств процессов.

Может быть, это покажется парадоксальным, но есть и такой подход к микроядерной ОС, как уменьшение микроядра.

Для возможности представления о размерах микроядер операционных систем в ряде источников [22] приводятся такие данные:

типичное микроядро первого поколения – 300 Кбайт кода и 140 интерфейсов системных вызовов;
микроядро ОС L4 (второе поколение) – 12 Кбайт кода и 7 интерфейсов системных вызовов.

В современных операционных системах различают следующие виды ядер.

Наноядро (НЯ) – крайне упрощенное и минимальное ядро, выполняет лишь одну задачу, обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки посылает информацию о результатах обработки вышележащему программному обеспечению. НЯ используются для виртуализации аппаратного обеспечения реальных компьютеров или для реализации механизма гипервизора.
Микроядро (МЯ) предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Микроядерными являются ОС Minix , GNU Hurd и системы семейства BSD.
Экзоядро (ЭЯ) дает лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. ЭЯ не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов – эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS). В отличие от микроядра ОС, базирующиеся на ЭЯ, обеспечивают большую эффективность за счет отсутствия необходимости в переключении между процессами при каждом обращении к оборудованию.
Монолитное ядро (МЯ) предоставляет широкий набор абстракций оборудования. Все части ядра работают в одном адресном пространстве. МЯ требуют перекомпиляции при изменении состава оборудования. Компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной программы. МЯ более производительно, чем микроядро, поскольку работает как один большой процесс. МЯ является большинство Unix-систем и Linux. Монолитность ядер усложняет отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление ненужного, унаследованного от предыдущих версий, кода. "Разбухание" кода монолитных ядер также повышает требования к объему оперативной памяти.
Модульное ядро (Мод. Я) – современная, усовершенствованная модификация архитектуры МЯ. В отличие от классических" МЯ, модульные ядра не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого они предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). Подгрузка модулей может быть как динамической, так и статической (при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы). Мод. Я удобнее для разработки, чем традиционные монолитные ядра. Они предоставляют программный интерфейс (API) для связывания модулей с ядром, для обеспечения динамической подгрузки и выгрузки модулей. Не все части ядра могут быть сделаны модулями. Некоторые части ядра всегда обязаны присутствовать в оперативной памяти и должны быть жестко "вшиты" в ядро.
Гибридное ядро (ГЯ) – модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать "несущественные" части в пространстве ядра. Имеют "гибридные" достоинства и недостатки. Примером смешанного подхода может служить возможность запуска операционной системы с монолитным ядром под управлением микроядра. Так устроены 4.4BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach . Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляется монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использовать преимущества микроядерной архитектуры , сохраняя по возможности хорошо отлаженный код монолитного ядра .

Описание слайда:

Архитектура операционной системы

Описание слайда:

Ядро и вспомогательные модули операционной системы
При функциональной декомпозиции ОС модули разделяются на две группы:
ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;
модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Описание слайда:

Модули ядра ОС
Модули ядра ОС выполняют следующие базовые функции ОС:
управление процессами
управление памятью
управление устройствами ввода-вывода
Ядро обеспечивает решение задачи организации вычислительного процесса: переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний и т.п.
Другая задача – поддержка приложений, создание для них прикладной программной среды. Приложения обращаются к ядру с запросами (системными вызовами) для выполнения базовых операций (открытие и чтение файла, вывод информации на дисплей и т.п.)
Функции выполняемые ядром ОС требуют высокой скорости выполнения и для этого размещаются постоянно в оперативной памяти (резидентные модули).

Описание слайда:

Вспомогательные модули операционной системы
Вспомогательные модули выполняют полезные, но менее обязательные функции. Например:
архивирование информации;
дефрагментация данных на диске;
поиск необходимого файла и т.п.
Вспомогательные модули часто оформляются как обычные приложения и провести границу между ними и обычными приложениями сложно.
Деление на основные и вспомогательные модули ОС условно. Некоторые программы переходят из разряда вспомогательных модулей в основные и наоборот.

Описание слайда:

Вспомогательные модули операционной системы
Вспомогательные модули ОС условно разделяются на следующие группы:
Утилиты – приложения, решающие отельные задачи управления и сопровождения ОС
Системные обрабатывающие программы – текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики и т.п.
Программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры и т.п.
Библиотеки процедур – модули различного назначения, упрощающие разработку приложений.
Вспомогательные модули обращаются к функциям ядра ОС посредством системных вызовов.

Описание слайда:

Ядро и вспомогательные модули операционной системы
Ядро ОС
утилиты
Системные обрабатывающие программы
пользовательские приложения

Описание слайда:

Привилегированный режим процессора
Для надежного управления работой приложений ядро ОС должно обладать некоторыми привилегиями по отношению к остальным приложениям.
Обеспечивается привилегированный режим специальными средствами аппаратной поддержкой. Процессор компьютера поддерживает как минимум два режима работы – пользовательский (user mode) и привилегированный (kernel mode).
Приложения в пользовательском режиме не могут выполнять некоторые критичные команды (переключение процессора с задачи на задачу, доступ к механизму выделения и защиты областей памяти и т.п.).

Описание слайда:

Привилегированный режим работы
Между числом привилегий, поддерживаемых аппаратурой и операционной системой нет однозначного соответствия:
процессор Intel поддерживает 4 режима работы процессора – операционные системы Windows используют два из них.
Для реализации привилегированного режима достаточно поддержки двух режимов работы
Повышение устойчивости ОС, обеспечивающееся использованием работы в привилегированном режиме, достигается за счет некоторого замедления, вызванного необходимостью переключения работы ядра.
Архитектура ОС, основанная на разделении привилегированного режима для ядра и пользовательского режима для приложений – стала классической.

Описание слайда:

Многослойная структура ОС
Вычислительная система под управлением ОС можно рассматривать как состоящую из нескольких слоев:
Нижний слой – аппаратура;
Средний – ядро ОС;
Верхний – утилиты, приложения и т.п.

Описание слайда:

Детализация структуры ядра
Ядро, являясь структурным элементом ОС, может быть логически разложен на ряд слоев:
Средства аппаратной поддержки ОС
Машинно-зависимые компоненты ОС (включает модули, отражающие специфику аппаратной платформы компьютера)
Базовые механизмы ядра (включает наиболее примитивные операции ядра – переключение контекстов процессов, диспетчеризация прерываний), модули выполняют решения принятые на более высоких уровнях
Менеджеры ресурсов (реализует задачи стратегического управления), включает менеджеры – диспетчеры процессов, ввода-вывода и т.п.
Интерфейсы системных вызовов (включает модули взаимодействия с приложениями и системными утилитами, функции API.

Описание слайда:

Аппаратная зависимость ОС
Операционная система в процессе работы взаимодействует с аппаратными средствами компьютера:
Средства поддержки привилегированного режима
Средства трансляции адресов
Средства переключения процессов
Защита областей памяти
Система прерываний
Системный таймер
Это делает ОС привязанной к определенной аппаратной платформе

Описание слайда:

Переносимость операционной системы
Под переносимостью операционной системы понимается способность использования ОС на различных аппаратных платформах с минимальными изменениями в ее структуре. Для уменьшения числа машинно-зависимых модулей разработчики ОС ограничивают универсальность машинно-независимых модулей. Например, Windows разработана для нескольких типов процессоров и для многопроцессорных систем используются собственные модули.
Для обеспечения переносимости следуют следующим правилам:
Большая часть кода написана на языке, трансляторы которого существуют для всех планируемых платформ;
Объем машино-зависимых частей кода должен быть минимизирован;
Аппаратно-зависимый код должен быть изолирован в нескольких модулях
В идеале машино-зависимые модули ядра полностью экранируют остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы (кэши, контроллеры прерываний и т.п.).

Описание слайда:

Микроядерная архитектура
Привилегированный режим
Пользовательский режим
Микроядро
Сервер процессов
Сервер безопасности
Файловый сервер
Приложения пользователей

Описание слайда:

Достоинства микроядерной архитектуры
Операционные системы, основанные на микроядерной архитектуре обладают рядом преимуществ, предъявляемых к современным ОС:
Переносимость (обусловлена малым числом модулей в аппаратно-зависимом микроядре)
Расширяемость (добавление новых функций связано с включением новых серверов ОС)
Надежность (обусловлена изолированностью процессов)
Поддержка распределенных вычислений (используется механизм взаимодействия приложений аналогичный взаимодействию в распределенных системах)
Недостаток
Производительность (обладают меньшей производительностью)

Описание слайда:

Совместимость операционных систем
Совместимость – возможность операционной системы выполнять приложения, написанные для других ОС.
Выделяют
Двоичная совместимость – на уровне кодов (программные модули могут быть просто перенесены и запущены)
Совместимость исходных текстов – приложения могут быть перекомпилированы в новый исполняемый модуль для ОС.
Совместимость на уровне кодов может быть достигнута с помощью эмуляции двоичного кода.

Описание слайда:

Прикладные программные среды
Прикладная программная среда – совокупность средств ОС, предназначенная для организации выполнения приложений, использующих определенную систему машинных команд, определенный тип API.
Каждая ОС создает хотя бы одну программную среду.
Для обеспечения совместимости различных программных сред используются решения:
эмуляция двоичного кода,
трансляция API.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Компьютер, работающий под управлением операционной системы 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. 3.4). Слоистая структура в виде системы концентрических окружностей иллюстрирует тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. В соответствии с такой структурой система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые обра-

Рис. 3.4. Трехслойная структура

зуют межслойный интерфейс (рис. 3.5). На основе функций нижележащего слоя следующий (верхний по иерархии) слой строит свои функции — более сложные и более мощные, которые, в свою очередь,

Рис. 3.5. Многослойное взаимодействие 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 имеет ряд 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 остались в силе.

Поскольку ядро операционной системы представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Многослойная архитектура ядра ОС:

1 — средства аппаратной поддержки ОС; 2 — машинно зависимые модули; 3 — базовые механизмы ядра; 4 — менеджеры ресурсов; 5 — интерфейс системных вызовов

Средства аппаратной поддержки операционной системы. До сих

пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, хотя часть функций операционной системы может выполняться и аппаратными средствами. В этом случае речь идет не о всей аппаратуре компьютера, а только об аппаратуре, непосредственно участвующей в организации вычислительного процесса. Например, средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства защиты памяти и т.п.

Машинно зависимые компоненты операционной системы. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. За счет этого слоя происходит полное экранирование вышележащих слоев ядра от особенностей аппаратной реализации, тем самым позволяя разрабатывать вышележащие слои на основе машинно независимых модулей.

Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра. 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.

Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами компьютера. Обычно на данном слое работают менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти.

Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы.

Приведенное разбиение ядра операционной системы на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними могут быть и иными.

Читайте также: