Архитектура операционной системы

Лекция 3. АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Любая хорошо организованная сложная система имеет понятную и рациональную структуру, то есть разделяется на части - модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы, а сложную систему без хорошей структуры чаще проще разработать заново, чем модернизировать.

Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к слож­ности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т. д.

Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.

Основным исполнительным компонентным ядром ОС, реализующим главное назначение ОС, - управление ресурсами ВС, является управляющая программа, общая структура и функции которой определяются обобщенной структурой вычислительного комплекса. Обобщенная структура управляющей программы имеет вид, представленный на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Обобщенная структура управляющей программы.

В состав операционной системы входят следующие подсистемы:

Рекомендуемые материалы

1. Управление процессами.

2. Управление основной памятью.

3. Управление внешней памятью.

4. Управление устройствами ввода/вывода.

5. Управление файлами.

6. Защита системы.

7. Сетевая поддержка.

8. Командный интерфейс системы.

Управление процессами

Процесс - это программа в стадии выполнения. Процессу необходимы определенные ресурсы, включая процессорное время, память, файлы и устройства ввода/вывода для выполнения своих задач. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением процессами:

- создание и удаление процессов;

- приостановку и возобновление процессов;

- обеспечение механизмов для синхронизации процессов;

- обеспечение механизмов для взаимодействия процессов.

Управление основной памятью

Память представляет собой большой массив слов или байт, каждый из которых имеет собственный адрес. Это хранилище данных, к которым обеспечивается быстрый доступ, распределенный между процессором и устройствами ввода/вывода. Основная память - энергозависимое устройство, которое теряет содержимое в случае выключения системы. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением памятью:

- ведет учет того, какая часть памяти в настоящий момент занята;

- принимает решение о загрузке процессов при освобождении пространства ОП;

- распределяет и освобождает пространство ОП в соответствии с действующими стратегиями.

Управление внешней памятью

Поскольку основная память (первичная память) энергозависима и слишком мала для размещения всех данных и программ постоянно, ВС должна обеспечить вторичную память для сохранения основной памяти. Большинство современных ВС используют диски как средство оперативного хранения как программ, так и данных. ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением внешней памятью:

- управление свободным пространством;

- распределение памяти;

- управление диском.

Подсистема управления устройствами ввода/вывода

Подсистема ввода/вывода состоит из:

- системы кэширования - буферирования;

- общего интерфейса драйверов устройств;

- драйверов специализированных устройств.

Подсистема управления файлами

Файл представляет собой набор взаимосвязанной информации, определенной при создании. Кроме собственно данных, файлы представляют программы, как в исходном, так и в объектном виде.

Подсистема ОС отвечает за следующие действия в связи с управлением файлами:

- создание файлов;

- создание и удаление подкаталогов;

- поддержку операций для манипулирования с файлами и подкаталогами;

- представление файлов во внешней памяти;

- выгрузку файлов на другие внешние устройства.

Защита системы

Защита системы предполагает наличие механизма для управления доступом программ, процессов и пользователей к системным и пользовательским ресурсам.

Механизм защиты должен:

- различать авторизованное и не авторизованное использование;

- определить элементы управления, которые будут задействованы;

- обеспечить средства реализации.

Сетевое обеспечение

Распределенная система - набор процессоров, которые не распределяют память или каждый процессор имеет свою локальную память. Процессоры в системе соединены посредством компьютерной сети и обеспечивают пользователям доступ к различным системным ресурсам, позволяющим:

- увеличить скорость вычислений;

- увеличить объем доступной информации;

- повысить надежность.

Командный интерфейс системы

Множество команд в ОС предназначено для выполнения функций управления, которые обеспечивают:

- создание и управление процессов;

- управление вводом/выводом;

- управление внешней памятью;

- управление основной памятью;

- доступ к файловой системе;

- защиту;

- поддержку работы сети.

Программа, которая вводит и интерпретирует команды управления, в различных системах имет разные названия:

- интерпретатор управляющих карт;

- процессор команд консолей;

- shell ( в Unix).

Функцией команды является прием и выполнение введенного утверждения.

Сервисы операционных систем:

- выполнение программ - способность системы загружать программу в память и выполнять ее;

- операции ввода/вывода. Поскольку пользовательские программы не могут исполнять операции ввода/вывода непосредственно, ОС должна обеспечивать некоторые средства для их выполнения;

- манипуляции с файловой системой выражаются в обеспечении способности читать, писать, создавать и удалять файлы;

- взаимодействие и обмен информацией между выполняющимися процессами на одном компьютере или на различных системах, связанных посредством сети, осуществляется через распределенную память или передачу сообщений;

- обнаружение ошибок - гарантия правильности вычислений посредством обнаружения ошибок в процессоре, памяти, устройствах ввода/вывода или в пользовательских программах.

3. 1. Ядро и вспомогательные модули ОС

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

ядро - модули ОС, выполняющие основные функции;

модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину операционной системы. Без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие, как переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую 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.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются
резидентными.

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений. Термин «ядро» в разных ОС трактуется по-разному. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном
режиме.

Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте, дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек про-цедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями. Решение о том, является какая-либо программа частью ОС или нет, принимает производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это решение, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

утилиты - программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;

системные обрабатывающие программы - текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры;

библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т. д.

Как и обычные приложения, утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС для выполнения своих задач, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.

Разделение операционной системы 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, образующие ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации самого ядра. В некоторых случаях каждое исправление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Постоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.

3. 2. Ядро и привилегированный режим

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Операционная система должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешни­ми устройствами.

Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы - пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode) или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения - в пользовательском режиме.

Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме. Иногда это свойство - работа в привилегированном режиме - служит основным определением понятия «ядро».

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях. Важно, что условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС, и этот контроль обеспечивается за счет набора инструкций, безусловно запрещенных для пользовательского режима.

Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разрешается, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному приложению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме.

Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной системой не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от остальных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и операционную систему. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых ОС, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.

С другой стороны, если аппаратура поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты. На основе двух режимов привилегий процессора ОС может построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, примером которой является типичная система защиты файлов и каталогов. Такая система позволяет задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и каталогов.

Отметим, что повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению - переключение из привилегированного режима в пользовательский (рис. 3.2). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Рис. 3. 2. Смена режимов при выполнении системного вызова
к привилегированному ядру

Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала, по существу, классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2, и с определенными модификациями - Windows NT.

В некоторых случаях разработчики ОС отступают от этого класси-ческого варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. Так, известная специализированная операционная система NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/ Pentium как для работы ядра, так и для работы своих специфических приложений – загружаемых модулей NLM. При таком построении ОС обращения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения режимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Разработчики NetWare пошли на такое потен-циальное снижение надежности своей операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализированных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения.

3. 3. Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС 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. 3).

Рис.3. 3. Трехслойная схема вычислительной системы

Слоистую структуру вычислительной системы принято изображать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Действительно, при такой организации ОС приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра.

Ядро может состоять из следующих слоев (рис. 3. 4.):

Рис3. 4. Структура ядра

Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэтому иногда можно встретить определение операционной системы как совокупности программных и аппаратных средств, что и отражено на рис. 3. 3. К операционной системе относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства аппаратной поддержки ОС, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т. п.

Машинно-зависимые компоненты ОС. Этот слой образуют программные мо­дули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры. Это позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной ОС.

Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра, такие, как программное переключение контекстов процессов, диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т. п. 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. Например, решение о том, что в данный момент нужно прервать выполнение текущего процесса «А» и начать выполнение процесса «В», принимается менеджером процессов на вышележащем слое, а слою базовых механизмов передается только директива о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса «В».

Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (называемые также диспетчерами) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти. Разбиение на менеджеры может быть и несколько иным, например, менеджер файловой системы иногда объединяют с менеджером ввода-вывода, а функции управления доступом пользователей к системе в целом и ее отдельным объектам поручают отдельному менеджеру безопасности. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Например, менеджер виртуальной памяти управляет перемещением страниц из оперативной памяти на диск и обратно. Для исполнения принятых решений менеджер обращается к нижележащему слою базовых механизмов с запросами о загрузке (выгрузке) конкретных страниц. Внутри слоя менеджеров существуют тесные взаимные связи, отражающие тот факт, что для выполнения процессу нужен доступ одновременно к нескольким ресурсам - процессору, области памяти, возможно, к определенному файлу или устройству ввода-вывода. Например, при создании процесса менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить процессу определенную область памяти для его кодов и данных.

Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения.

Приведенное разбиение ядра ОС на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным. В системах, предназначенных для аппаратных платформ одного типа, например ОС NetWare, слой машинно-зависимых модулей обычно не выделяется, сливаясь со слоем базовых механизмов и, частично, со слоем менеджеров ресурсов. Не всегда оформляются в отдельный слой базовые механизмы - в этом случае менеджеры ресурсов не только планируют использование ресурсов, но и самостоятельно реализуют свои планы.

Возможна и противоположная картина, когда ядро состоит из большего количества слоев. Например, менеджеры ресурсов, составляя определенный слой ядра, в свою очередь, могут обладать многослойной структурой. Прежде всего это относится к менеджеру ввода-вывода, нижний слой которого составляют драйверы устройств, например драйвер жесткого диска или драйвер сетевого адаптера, а верхние слои - драйверы файловых систем или протоколов сетевых служб, имеющие дело с логической организацией информации.

Способ взаимодействия слоев в реальной ОС также может отклоняться от описанной выше схемы. Для ускорения работы ядра в некоторых случаях происходит непосредственное обращение с верхнего слоя к функциям нижних слоев, минуя промежуточные.

Выбор количества слоев ядра является ответственным и сложным делом: увеличение числа слоев ведет к некоторому замедлению работы ядра за счет дополнительных накладных расходов на межслойное взаимодействие, а уменьшение числа слоев ухудшает расширяемость и логичность системы. Обычно операционные системы, прошедшие долгий путь эволюционного развития, например многие версии UNIX, имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у сравнительно «молодых» операционных систем, таких, как Windows NT, ядро разделено на большее число слоев, и их взаимодействие формализовано в гораздо большей степени.

3. 4. Аппаратная зависимость и переносимость ОС

Многие операционные системы успешно работают на различных аппаратных платформах без существенных изменений в своем составе. Во многом это объясняется тем, что, несмотря на различия в деталях, средства аппаратной поддержки ОС большинства компьютеров приобрели сегодня много типовых черт, а именно, эти средства в первую очередь влияют на работу компонентов операционной системы. В результате в ОС можно выделить достаточно компактный слой машинно-зависимых компонентов ядра и сделать остальные слои ОС общими для разных аппаратных платформ.

Опыт разработки операционных систем показывает: ядро можно спроектировать таким образом, что только некоторые модули будут машинно-зависимыми, а остальные не будут зависеть от особенностей аппаратной платформы. В хорошо структурированном ядре машинно-зависимые модули локализованы и образуют программный слой, естественно примыкающий к слою аппаратуры, как это и показано на рис. 3. 3. Такая локализация машинно-зависимых модулей существенно упрощает перенос операционной системы на другую аппаратную платформу.

Объем машинно-зависимых компонентов ОС зависит от того, насколько велики отличия в аппаратных платформах, для которых разрабатывается ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, для переноса на машину с 16-битовыми адресами должна быть практически переписана заново. Одно из наиболее очевидных отличий - несовпадение системы команд процессоров - преодолевается достаточно просто. Операционная система программируется на языке высокого уровня, а затем соответствующим компилятором вырабатывается код для конкретного типа процессора. Однако во многих случаях различия в организации аппаратуры компьютера лежат гораздо глубже и преодолеть их таким образом не удается. Например, однопроцессорный и двухпроцессорный компьютеры требуют применения в ОС совершенно разных алгоритмов распределения процессорного времени. Аналогично отсутствие аппаратной поддержки виртуальной памяти приводит к принципиальному различию в реализации подсистемы управления памятью. В таких случаях не обойтись без внесения в код операционной системы специфики аппаратной платформы, для которой эта ОС предна­значается.

Для уменьшения количества машинно-зависимых модулей производители операционных систем обычно ограничивают универсальность машинно-независимых модулей. Это означает, что их независимость носит условный характер и распространяется только на несколько типов процессоров и созданных на основе этих процессоров аппаратных платформ. По этому пути пошли, например, разработчики ОС Windows NT, ограничив количество типов процессоров для своей системы четырьмя и поставляя различные варианты кодов ядра для однопроцессорных и многопроцессорных компьютеров.

Особое место среди модулей ядра занимают низкоуровневые драйверы внешних устройств. С одной стороны, эти драйверы, как и высокоуровневые драйверы, входят в состав менеджера ввода-вывода, то есть принадлежат слою ядра, занимающему достаточно высокое место в иерархии слоев. С другой стороны, низкоуровневые драйверы отражают все особенности управляемых внешних устройств, поэтому их можно отнести и к слою машинно-зависимых модулей. Такая двойственность низкоуровневых драйверов еще раз подтверждает схематичность модели ядра со строгой иерархией слоев.

Для компьютеров на основе процессоров Intel x86/Pentium разработка экранирующего машинно-зависимого слоя ОС несколько упрощается за счет встроенной в постоянную память компьютера базовой системы ввода-вывода - BIOS. BIOS содержит драйверы для всех устройств, входящих в базовую конфигурацию компьютера: жестких и гибких дисков, клавиатуры, дисплея и т. д. Эти драйверы выполняют весьма примитивные операции с управляемыми устройствами, например, чтение группы секторов данных с определенной дорожки диска, но за счет этих операций экранируются различия аппаратных платформ персональных компьютеров и серверов на процессорах Intel разных производителей. Разработчики операционной системы могут пользоваться слоем драйверов BIOS как частью машинно-зависимого слоя ОС, а могут и заменить все или часть драйверов BIOS компонентами ОС.

3. 5. Переносимость операционной системы

Если код операционной системы может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа, то такую ОС называют переносимой (portable) или мобильной.

Хотя ОС часто описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, мобильность - это не бинарное состояние, а понятие степени. Вопрос не в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Для того чтобы обеспечить свойство мобильности ОС, разработчики должны следовать следующим правилам.

1. Большая часть кода должна быть написана на языке, трансляторы которого имеются на всех машинах, куда предполагается переносить систему. Такими языками являются стандартизованные языки высокого уровня. Большинство переносимых ОС написано на языке С, который имеет много особенностей, полезных для разработки кодов операционной системы, и компиляторы которого широко доступны. Программа, написанная на ассемблере, является переносимой только в тех случаях, когда перенос операционной системы планируется на компьютер, обладающий той же системой команд. В остальных случаях ассемблер используется только для тех непереносимых частей систе­мы, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, обработчик прерываний), или для частей, которые требуют максимальной скорости (например, целочисленная арифметика повышенной точности).

Объем машинно-зависимых частей кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован.

2. Аппаратно-зависимый код должен быть надежно изолирован в нескольких модулях, а не быть распределен по всей системе. Изоляции подлежат все части ОС, которые отражают специфику процессора и аппаратной платформы в целом. Низкоуровневые компоненты ОС, имеющие доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам, должны быть оформлены в виде компактных модулей, которые могут быть заменены аналогичными модулями для других процессоров. Для снятия платформенной зависимости, возникающей из-за различий между компьютерами разных производителей, построенными на одном и том же процессоре (например, MIPS, R4000), должен быть введен хорошо локализованный программный слой машинно-зависимых функций.

В идеале слой машинно-зависимых компонентов ядра полностью экранирует остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы (КЭШи, контроллеры прерываний ввода-вывода и т. п.), по крайней мере для того набора платформ, который поддерживает данная ОС. В результате происходит подмена реальной аппаратуры некой унифицированной виртуальной машиной, одинаковой для всех вариантов аппаратной платформы. Все слои операционной систе­мы, которые лежат выше слоя машинно-зависимых компонентов, могут быть написаны для управления именно этой виртуальной аппаратурой. Таким образом, у разработчиков появляется возможность создавать один вариант машинно-независимой части ОС (включая компоненты ядра, утилиты, системные обрабатывающие программы) для всего набора поддерживаемых платформ.

3. 6. Микроядерная архитектура

3 .6. 1. Концепция

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная организация ОС, в соответствии с которой все основные функции операционной системы, составляющие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользовательскими программами, становясь системными утилитами или обрабатывающими программами. Каждое приложение пользовательского режима работает в собственном адресном пространстве и защищено тем самым от какого-либо вмешательства других приложений. Код ядра, выполняемый в привилегированном режиме, имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Приложения обращаются к ядру с запросами на выполнение системных функций.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром (рис. 3. 5. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра - файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., - становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.

     Приложения                  Утилиты                                             Приложения          Утилиты

Пользовательский режим

     

Привилегированный

         режим

Рис.3. 5. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское
 пространство

Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений.

Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.

Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д. Именно поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, то есть модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием является наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.

Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серве­ров, выглядит следующим образом (рис. 3. 6). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, 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 к адресным пространст­вам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посред­ника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соот­ветствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства приходится платить снижением производительности, и это является основным недостатком микроядерной архитектуры.

Рис. 3. 6. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре

3. 6. 2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры

Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений, и все они логически сгруппированы вместе.

Расширяемость присуща микроядерной ОС в очень высокой степени. В традиционных системах даже при наличии многослойной структуры нелегко удалить один слой и поменять его на другой по причине множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требуют хорошего знания операционной системы и больших затрат времени. В то же время ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра открывает путь к упорядоченному росту и эволюции ОС. Добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра. Микроядерная структура позволяет не только добавлять, но и сокращать число компонентов операционной системы, что также бывает очень полезно. При микроядерном подходе конфигурируемость ОС не вызывает никаких проблем и не требует особых мер - достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить не нужные больше серверы в ходе работы обычными для остановки приложений средствами.

Использование микроядерной модели повышает надежность ОС. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов операционной системы, что не наблюдается в традиционной ОС, где все модули ядра могут влиять друг на друга. И если отдельный сервер терпит крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальных серверов ОС. Более того, поскольку серверы выполняются в пользовательском режиме, они не имеют непосредственного доступа к аппаратуре и не могут модифицировать память, в которой хранится и работает микроядро. Другим потенциальным источником повышения надежности ОС является уменьшенный объем кода микроядра по сравнению с традиционным ядром - это снижает вероятность появления ошибок программирования.

Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым: взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями. Серверы микроядерной ОС могут работать как на одном, так и на разных компьютерах. В этом случае при получении сообщения от приложения микроядро может обработать его самостоятельно и передать локальному серверу или же переслать по сети микроядру, работающему на другом компьютере. Переход к распределенной обработке требует минимальных изменений в работе операционной системы - просто локальный транспорт заменяется на сетевой.

Производительность. При классической организации ОС (рис. 3. 7, а) выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации (рис. 3. 7, б) - четырьмя. Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали.

Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT. В версиях 3. 1 и 3. 5 диспетчер окон, графическая библиотека и высокоуровневые драйверы графических устройств входили в состав сервера пользователь­ского режима, и вызов функций этих модулей осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако очень скоро разработчики Windows NT поняли, что такой механизм обращений к часто используемым функциям графического интерфейса существенно замедляет работу приложений и делает данную опера­ционную систему уязвимой в условиях острой конкуренции. В результате в вер­сию Windows NT 4.0 были внесены существенные изменения - все перечислен­ные выше модули были перенесены в ядро, что отдалило эту ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но зато резко повысило ее производительность.

Приложение                        Приложение

   а)                       Ядро  

                          t                                     t   

                                                                                    

Приложение                                 Сервер ОС                                  Приложение   

                           Микроядро                             Микроядро      

   б)                 t                          t                    t                         t             

                             

           

           Рис. 3. 7. Смена режимов при выполнении системного вызова

Этот пример иллюстрирует главную проблему, с которой сталкиваются разработчики операционной системы, решившие применить микроядерный подход, – что включать в микроядро, а что выносить в пользовательское пространство. В идеальном случае микроядро может состоять только из средств передачи сообщений, средств взаимодействия с аппаратурой, в том числе средств доступа к механизмам привилегированной защиты. Однако многие разработчики не всегда жестко придерживаются принципа минимизации функций ядра, часто жертвуя этим ради повышения производительности. В результате реализации ОС образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом – системы, подобные Windows NT, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.

3. 7. Совместимость и множественные прикладные среды

В то время как многие архитектурные особенности операционных систем непосредственно касаются только системных программистов, концепция множественных прикладных сред непосредственно связана с нуждами конечных пользователей - возможностью операционной системы выполнять приложения, написанные для других операционных систем. Такое свойство операционной системы называется совместимостью.

3. 7. 1. Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов

Необходимо различать совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается выполнять данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый исполня-емый модуль. Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах. Для пользователя, купившего в свое время пакет (например, Lotus 1-2-3) для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот полюбившийся ему пакет без каких-либо изменений и на своей новой машине, работающей под управлением, например, Windows NT. Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими операционными системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них – архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор использует тот же набор команд (возможно, с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто.

Для этого достаточно соблюдения сле­дующих условий:

вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживать­ся данной ОС;

внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответство­вать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих разные архитектуры. Помимо соблюдения приведенных выше условий, необходимо организовать эмуляцию двоичного кода.

Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC - на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т. п.), отличную от архитектуры процессора Intel, поэтому ему непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение - эмулятор.

Эмулятор должен последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифрировать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Так как к тому же у процессора Motorola нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в Intel, он должен также имитировать (эмулировать) все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды должно быть абсолютно таким же, как и в реальном процессоре Intel. Это простая, но очень медленная работа, так как одна команда процессора Intel исполняется значительно быстрее, чем эмулирующая его последовательность ко­манд процессора Motorola.

3. 7. 2. Трансляция библиотек

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих прикладную программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которые операционная система предоставляет своим приложениям. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям.

Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работают под управлением GUI (Graphic User Interface  - графических интерфейсов пользователя) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые действия. Они непрерывно выполняют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других связанных с GUI действий. Сегодня в типичных программах 60-80 % времени тратится на выполнение функций GUI и других библиотечных вызовов ОС. Именно это свойство приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на «родном» коде, и этим достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз.

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, может перехватить этот вызов и перенаправить его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а возможно, и превзойти) скорость работы на своем «родном» процессоре.

Чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Концепции, положенные в основу разных ОС, могут входить в противоречие друг с другом. Например, в одной операционной системе приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, в другой - эти действия являются прерогативой ОС. Каждая операционная система имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.

3. 7. 3. Способы реализации прикладных программных сред

Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно свя­занной со структурой операционной системы. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечиваю­щими различную степень переносимости приложений.

Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В операционных системах, построенных с использовани­ем микроядерной концепции, таких, как, например, Windows NT, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в операционную систему.

Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных приклад­ных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС. На рис. 3. 8 операционная система OS1 поддерживает кроме своих «родных» приложений приложения операционной системы OS2. Для этого в ее составе имеется специальное приложение – прикладная программная среда, которая транс­лирует интерфейс «чужой» операционной системы –API OS2 в ин­терфейс своей «родной» операционной системы – API OS1.

Рис. 3. 8. Прикладная программная среда, транслирующая
 системные вызовы

В другом варианте реализации множественных прикладных сред операционная система имеет несколько равноправных прикладных програм-мных интерфейсов. В приведенном на рис. 3. 9примере операционная си-стема поддерживает прило­жения, написанные для OS1, OS2 и OS3. Для этого непосредственно в простран­стве ядра системы размещены прикладные программные интерфейсы всех этих ОС: API OS1, API OS2 и API OS3.

Рис. 3. 9. Реализация совместимости на основе нескольких
равноправных API

В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае несовмести­мые прикладные среды. В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т. д. Функции каж­дого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже если они имеют аналогичное назначение.

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на мик­роядерном подходе. При этом очень важно отделить базовые, общие для всех прикладных сред, механизмы операционной системы от специфических для каж­дой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи.

В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются мик­роядром и серверами пользовательского режима. Важно, что каждая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовых механизмов (рис. 3. 10). Приложения, используя API, обра­щаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос, выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходит­ся, в свою очередь, обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микро­ядром и другими серверами ОС.

Рис. 3. 10. Микроядерный подход к реализации множественных
прикладных сред

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микроядерной архитектуры, в частности:

· очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микроядерных ОС;

· надежность и стабильность выражаются в том, что при отказе одной из при­кладных сред все остальные сохраняют работоспособность;

Обратите внимание на лекцию "Список лекций".

· низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости рабо­ты прикладных сред, а значит, и на скорости выполнения приложений.

Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между опера­ционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совмес­тимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора опе­рационных систем и более легкий доступ к качественному программному обес­печению.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под архитектурой ОС?
2. Какие три основных слоя принято выделять в структуре вычислительной системы?
3. Какая роль возложена ОС на интерфейс системных вызовов?
4. Какие условия при проектировании ОС должны быть соблюдены с тем, чтобы ОС была легко переносимой?
5. В чем отличие микроядерной архитектуры от традиционной архитектуры ОС?
6. Почему микроядро хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений?
7. Что подразумевается под концепцией множественных прикладных сред?
8. В чем суть метода трансляции библиотек?

Контрольные вопросы

1. Назовите составляющие ОС.
2. На какие группы принято разделять модули ОС?
3. Какие базовые функции закреплены за модулями ядра?
4. На какие группы программ подразделяются вспомогательные модули ОС?
5. Какие режимы процессора Intel x86, используемые ОС для работы ядра, Вам известны?
6. Какой из режимов работы процессора Intel x86 используется при выполнении модулей ядра?
7. На какие слои подразделяется ядро ОС?
8. Какие функции выполняет слой базовых механизмов ядра?
9. Какие функции выполняет слой менеджера ресурсов?
10. Можно ли рассматривать базовую систему ввода/вывода компьютера (BIOS) как часть операционной системы?
11. В каком случае ОС, написанная на ассемблере, является переносимой?
12. Каким термином в микроядерной архитектуре принято называть менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим?
13. Можно ли считать микроядерную архитектуру в высокой степени переносимой?
14. Почему микроядерная архитектура ОС в большей степени расширяемая, чем классическая ОС?
15. Является ли микроядерная архитектура более надежной, чем традиционная?
16. Укажите причину, из-за которой производительность микроядерной архитектуры хуже традиционной схемы ОС.
17. Можно ли считать ОС Windows NT 4.0 системой с микроядерной архитектурой?
18. Какие виды совместимости Вам известны?
19. За счет каких действий достигается двоичная совместимость для процессоров различных архитектур?
20. Укажите способ, который позволяет повысить производительность ПК при выполнении «чужого» исполняемого файла.
21. Достаточно ли одного метода трансляции библиотек для полной совместимости приложений?