Тема 1.3. Операционное окружение
В состав ОС входит множество модулей (т.е. частей со строго определенными функциями и правилами их взаимодействия). Это исполняемые и объектные модули стандартных форматов, библиотеки разных типов, конфигурационные файлы, файлы документации, программные модули специального формата (загрузчик ОС, драйверы ввода/вывода)… Все эти модули ОС можно разделить на два больших класса:
Ядро – модули, выполняющие основные функции ОС.
Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.
Охарактеризуем каждый из этих классов.
Ядро и модули, выполняющие вспомогательные функции
Наиболее общим подходом структуризации ОС является разделение всех модулей на две группы:
Ядро – это модули, выполняющие основные базовые функции, такие как управление процессами, памятью, устройствами ввода- вывода и т.п. Ядро составляет сердцевину ОС, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнять ни одну из функций. В состав ядра входят:
функции решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса. Эти функции не доступны для приложений.
другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них 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 (Application Program Interface)
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями ОС, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая часть их находится в оперативной памяти, т.е. являются резидентными.
Крах ядра равносилен краху всей системы, поэтому ядро оформляется в виде программного модуля специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.
Модули, выполняющие вспомогательные функции. Они менее обязательны. К таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на дисках, дефрагментации диска и т.п. вспомогательные модули ОС могут оформляться либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.
Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, т.е. в виде исполняемых модулей стандартного формата для данной ОС, то часто бывает сложно провести четкую грань между ОС и приложениями. Решение о том, является ли какая – либо программа частью ОС принимает производитель ОС.
Вспомогательные модули ОС подразделяются на следующие группы:
Утилиты- программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных.
Системные обрабатывающие программы - текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики.
Программы представления пользователю дополнительных услуг - специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и т.д.
Библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например, библиотека математических функций, функции ввода- вывода и т.п.
Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.
Разделение ОС 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 ядра системы.
Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружают в ОЗУ только на время выполнения функций, т.е. являются транзитными. Такая организация экономит оперативную память компьютера.
Ядро может состоять из следующих слоев:
Средства аппаратной поддержки ОС (те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов – средства поддержки привилегированного режима, системных прерываний, средства переключения контекстов, защиты областей памяти).
Машинно-зависимые компоненты ОС – программные модули, в которых отражена специфика аппаратной платформы компьютера. Этот слой экранирует вышележащие слои от особенностей аппаратуры.
Базовые механизмы ядра выполняют наиболее примитивные операции ядра, отрабатывая "принятые наверху" решения, т.е. представляют собой исполнительные механизмы для модулей верхних слоев (перемещение страниц из памяти на диск и обратно, программное переключение контекстов…).
Менеджеры ресурсов. Мощные функциональные модули этого слоя решают стратегические задачи по управлению основными ресурсами всей системы. Сюда относятся диспетчеры процессов, ввода-вывода, файловой системы, оперативной памяти. Каждый менеджер ведет учет свободных и используемых ресурсов и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений.
Интерфейс системных вызовов – верхний слой ядра, который взаимодействует непосредственно с приложениями, образуя прикладной программный интерфейс ОС – API.
Приведенное разбиение на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть иным. Кроме того, иногда нарушается иерархия и обращения осуществляются через слой. Выбор количества слоев является очень важным, т.к. увеличение их количества замедляет работу системы, поскольку увеличивается количество межслойных обращений, а уменьшение – ухудшает расширяемость и логичность системы.
Интерфейс прикладного программирования
Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым обладает только операционная система. Программист для своих целей может воспользоваться набором сервисных функций ОС либо реализовать соответствующую функцию самостоятельно, если предлагаемый операционной системой вариант его не вполне устраивает. Возможности операционной системы доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования – API. Как уже обсуждалось, эти функции представляют собой верхний слой ядра ОС. Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями её API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API, кажутся им одной и той же ОС. Это упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API.
Приложения выполняют обращения к функциям API с помощью системных вызовов. Способ реализации системных вызовов зависит от структурной организации ОС, которая, в свою очередь, тесно связана с особенностями аппаратной платформы. Кроме того, он зависит от языка программирования. При использовании языка программирования высокого уровня функции ОС вызываются тем же способом, что и написанные пользователем подпрограммы, требуя задания определенных аргументов в определенном порядке.
Многослойная структура ОС
В ычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из 3 иерархических слоев. Каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Приложения не могут взаимодействовать с аппаратурой непосредственно, а только через слой ядра. Каждый слой обслуживает вышележащий слой. На основе функций нижележащего слоя следующий слой строит свои функции – более сложные и более мощные.
Строгие правила касаются только для взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу самостоятельно, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.
Ядро в привилегированном режиме
Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является защита кодов и данных ОС за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме. Для надежного управления ходом выполнения приложений ОС должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область память, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами.
Обеспечить привилегии ОС невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы:
пользовательский (user mode),
привилегированный режим или режим ядра (kernel mode) или режим супервизора (supervisor mode).
Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключениями процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода- вывода, доступа к механизмам защиты и распределения памяти.
Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно, тогда, как другие запрещается выполнять только при определенных условиях. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложений разрешается, если инструкция обращается к области памяти отведенной данному приложению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями.
П овышение устойчивости ОС, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения вызовов.
Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – переключение из привилегированного режима - в пользовательский. Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.
Архитектура ОС на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима стала, по существу, классической. Её используют Unix, VAX, VMS, OS/2, с определенными модификациями Windows NT. В некоторых случаях разработчики организуют работу ядра и приложений в одном режиме. При таком построении ОС обращается к ядру быстрее, но отсутствует аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Это компенсируется тщательной отладкой приложений.
Принципы построения ядра
Монолитное ядро
Монолитное ядро является старейшим принципом организации ОС. Оно применяется в большинстве UNIX-систем. Сборка ядра, т.е. его компиляция – это единственный способ добавить в него новые компоненты или исключить неиспользуемые. Присутствие лишних компонент в ядре нежелательно, т.к. оно располагается в несвопируемой памяти (т.е. не может быть вытеснено из физической памяти). Кроме того, исключение ненужных компонент повышает надежность операционной системы в целом.
Для надежного управления вычислительным процессом ОС должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Рассмотрим, в чем они состоят.
Во-первых, все основные функции ОС, составляющие ядро, выполняются в привилегированном режиме, т.е. аппаратура должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский и привилегированный (т.н. режим ядра). Вспомогательные функции ОС при этом оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользовательскими программами (Рис.1).
Рис. 1. Вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме.
Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета в пользовательском режиме некоторых инструкций (переключение процессора с задачи на задачу, управление механизмом защиты памяти). Некоторые инструкции запрещены в пользовательском режиме безусловно (например, инструкция перехода в привилегированный режим), а некоторые – при определенных условиях. Например, инструкция ввода-вывода может быть запрещена при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и всех приложений, но разрешена при доступе к последовательному порту, который выделен в монопольное владение данному приложению. Условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС.
Во-вторых, привилегии ОС при доступе к памяти выражаются в том, что код ядра имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Каждое приложение пользовательского режима работает в своем адресном пространстве и тем самым защищено от вмешательства каких-либо других приложений.
Взаимодействие между пользовательской программой и ядром ОС осуществляется посредством системных вызовов. Системный вызов очень похож на обращение к обычной функции, отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в режим ядра. В этом режиме работает код ядра ОС, причем он исполняется в адресном пространстве и в контексте вызвавшей его задачи.
Системный вызов реализуется посредством программного прерывания.
Микроядерная архитектура
Микроядерная архитектура – это такая схема ядра ОС, при которой все его компоненты, кроме микроядра, являются самостоятельными процессами, работающими, возможно, в разных адресных пространствах, и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений.
Микроядро – это модуль ядра ОС, обеспечивающий взаимодействие между процессами, планирование процессов, первичную обработку прерываний и базовое управление памятью.
В привилегированном режиме остается работать только микроядро, которое защищено от остальных частей ОС и приложений. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Остальные, более высокоуровневые функции ядра, оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме (Рис.4).
Рис.4. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство.
Опять же не существует однозначного решения, какие функции относить к микроядру, а какие – оформлять отдельными модулями. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся обычно составными частями монолитного ядра (файловая система, менеджер безопасности, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами), становятся модулями, работающими в пользовательском режиме.
Но менеджеры ресурсов, хотя и работают в пользовательском режиме, имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются пользователями, поэтому в ОС с классической архитектурой отсутствует механизм вызова одного приложения другим. При микроядерной архитектуре приложения, выделенные из состава ядра, специально предназначены для обслуживания запросов других приложений (например, создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т.п.). Поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, т.е. модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС.
Очевидно, что необходимым условием для реализации микроядерной архитектуры является наличие удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Осуществление этого механизма является одной из главных задач микроядра. Схема механизма обращения к функциям ядра ОС, оформленным в виде серверов (причем это обращение может осуществляться как со стороны приложения, так и со стороны другого сервера), имеет следующий вид (Рис. 5).
Рис.5. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре.
Клиент (прикладная программа или компонент ОС) запрашивает у сервера выполнения некоторой функции, посылая ему для этого сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна в силу изоляции их адресных пространств. Микроядро, работающее в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам всех приложений, поэтому может выполнять функции посредника. Микроядро передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры, нужному серверу, тот выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, микроядерная архитектура соответствует модели клиент–сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
Сравнение двух архитектур: достоинства и недостатки
Мы рассмотрели две модели архитектуры ядра ОС. Каждая имеет свои достоинства и недостатки, поэтому ни одна из них не может полностью вытеснить другую.ОС с микроядерной архитектурой удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к современной ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью.
Действительно, множественность и размытость межслойных интерфейсов классической ОС ухудшает расширяемость такой системы. Напротив, ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра позволяет легко добавлять новые функции путем простой разработки новых приложений. Отключение ненужных функций ОС осуществляется изменением файла настроек начальной конфигурации системы.
Надежность системы с микроядром повышается потому, что каждый сервер работает в своей области памяти и не может влиять не только на микроядро, но и на другие модули ОС. Уменьшение кода микроядра также уменьшает вероятность ошибок.
Сведем все вышесказанное в таблицу для удобства сравнения.
Монолитная архитектура
|
Микроядерная архитектура
|
+ Высокая скорость работы – вызовы функций ядра представляют собой обычные вызовы процедур.
|
- Дополнительные накладные расходы снижают производительность системы.
|
+ Простота проектирования систем – не нужно беспокоиться о разбиении на модули и спецификациях интерфейсов, т.к. любой модуль может вызвать любую функцию.
|
- Необходимо очень аккуратно проектировать разбиение на отдельные компоненты, чтобы минимизировать взаимодействия между слоями.
|
- Множественность и размытость интерфейсов ухудшает расширяемость системы. Для добавления новых (или удаления старых) компонент необходимо выполнять перекомпиляцию ядра и перезагрузку системы.
|
+ Высокая степень модульности ядра ОС улучшает расширяемость, т.к. облегчается добавление новых компонент и отключение ненужных. Можно выполнять загрузку/выгрузку компонент, не прерывая работы системы.
|
- Сложность отладки – после внесения изменений необходимо выполнять заново сборку ядра и перезапуск системы. Сложно находить ошибки.
|
+ Упрощается процесс отладки компонент ядра (можно использовать обычные средства отладки), легче найти ошибки, уменьшаются их последствия.
|
- Низкая надежность – все компоненты работают в одном адресном пространстве и ошибка в одной влечет повреждение других и крах всей системы.
|
+ Повышается надежность, т.к. каждый сервер работает в своем адресном пространстве и не может влиять на работу других.
|
|
+ Простота организации распределенной обработки информации.
|
Основным недостатком микроядерного подхода является снижение производительности, т.к. вместо обычных двух переключений режимов при выполнении системного вызова в ОС с классической архитектурой здесь происходит четыре переключения (см. рисунок выше).
Следовательно, ОС на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классической архитектурой. Этим объясняется то, что микроядерный подход не получил того распространения, которое ему предрекали.
Для повышения производительности ОС некоторые часто используемые приложения вносятся в состав микроядра. Например, в ОС Windows NT 3.1, 3.5 диспетчер окон, графическая библиотека входили в состав сервера пользовательского режима. Частое использование этих приложений снижало производительность всей системы. Поэтому при разработке очередной версии системы – Windows NT 4.0 – эти функции были внесены в микроядро, что существенно повысило эффективность работы системы.
Архитектура большинства современных ОС содержит как черты монолитного ядра, так и элементы микроядерной архитектуры. Один из подходов выбирается в роли базового, с последующими коррективами в сторону альтернативного подхода. Ранее говорилось о необходимости перекомпиляции монолитного ядра для внесения изменений – например, для изменения аппаратных драйверов. В современных UNIX-системах этот недостаток устранен за счет динамической загрузки драйверов устройств. Т.е., хотя драйверы и работают в едином адресном пространстве, они должны иметь четко специфицированный интерфейс с остальной частью ядра ОС, чтобы обеспечить их загрузку в любой момент времени. В ядре Linux разрешена динамическая загрузка любых компонент ядра – т.н. модулей. В момент загрузки модуля его код загружается в адресное пространство ядра и связывается с остальной частью ядра.
Существуют системы с монолитным ядром под управлением микроядра (например, 4.4 BSD и MkLinux, основанные на микроядре Mach). Микроядро управляет виртуальной памятью и работой низкоуровневых драйверов. Остальные функции, в т.ч. взаимодействие с прикладными программами, выполняет монолитное ядро.
Операционная система Windows NT, например, хотя и cчитается микроядерной, но имеет также и черты классической ОС. Микроядро её слишком сложно и велико, чтобы иметь приставку "микро" (оно занимает более 1 мегабайта). Компоненты ядра взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как в микроядерной ОС. Но в то же время они работают в одном адресном пространстве и используют общие структуры данных, как ОС с монолитным ядром. Таким образом, ОС Windows NT с полным правом может называться гибридной.
Контрольные вопросы
По какому принципу подразделяются все модули, входящие в состав ОС?
Какие функции выполняют модули ядра ОС?
Для чего модули ядра являются резидентными?
Каковы функции вспомогательных модулей ОС?
Что означает термин "транзитные модули"? Являются ли транзитными модули ядра ОС?
Какие группы принято выделять в числе вспомогательных модулей ОС?
В каком случае приложение может получить статус модуля операционной системы?
Какова структура ядра ОС?
Каким образом происходят взаимодействия между различными модулями при многослойной структуре?
Каковы функции слоя базовых механизмов ядра?
К какому слою относится модуль управления памятью?
Для чего нужен слой машинно-зависимых компонентов ядра?
Могут ли различные операционные системы казаться одинаковыми программисту? В каком случае это происходит?
К функциям какого слоя ядра могут напрямую обращаться приложения?
Всегда ли разбиение ядра на слои выполняется одинаково? Почему важно правильно выбрать количество слоёв?
Что такое пользовательский интерфейс? Какие существуют способы его организации в современных ОС?
Какие существуют способы организации ядра ОС?
Какой способ организации ядра называется монолитной архитектурой? В чём его отличие от микроядерной архитектуры?
В каком режиме выполняются функции ядра?
В чём состоят привилегии режима ядра по отношению к пользовательскому режиму?
Каким образом пользовательское приложение может вызвать выполнение функций ядра?
Для чего нужен отдельный стек режима ядра?
Какие модули работают в пользовательском режиме, а какие – в привилегированном?
Каким образом реализуется системный вызов? Что происходит при его выполнении?
Что из себя представляет микроядро?
Каким образом осуществляется разделение функций ядра в микроядерной архитектуре?
Отличаются ли менеджеры ресурсов, вынесенные из состава ядра в пользовательский режим, от вспомогательных модулей ОС и различных приложений?
Каковы функции микроядра?
Всегда ли однозначно в микроядерной архитектуре происходит выделение определённых функций из ядра? Могут ли быть различия этих функций в разных реализациях микроядерной архитектуры?
Каковы особенности системного вызова в микроядерной архитектуре?
Каковы основные недостатки микроядерной архитектуры? А её достоинства?
В чём преимущество монолитной архитектуры по сравнению с микроядерной? В чём её недостатки?
Какие существуют способы использовать достоинства обеих архитектур и избавиться от их недостатков?
|
