Микроядерные операционные системы

Концепция архитектуры

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы: ядро и вспомогательные модули.

Ядро выполняет все основные функции ОС и работает в особом – привилегированном – режиме.

Приложения выполняются независимо, каждое – в своем собственном адресном пространстве.

Преимущество такой архитектуры заключается в легкой расширяемости ОС: для добавления новой высокоуровневой функции достаточно разработать новое приложение, не касаясь ядра.

Ядро и вспомогательные модули ОС

Ядро включает модули, выполняющие основные функции ОС:

• управление процессами;

• управление памятью;

• управление вводом-выводом и файловая система;

• интерфейс прикладного программирования API (Application Program Interface) для поддержки обращений к ядру из приложений.

Для обеспечения высокой скорости работы ОС модули ядра (все или большая часть), являются резидентными, т.е. постоянно находятся в оперативной памяти.

Вспомогательные модули по выполняемым функциям обычно подразделяются на следующие группы:

• утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (сжатие дисков, их проверка, дефрагментация; архивирование, сбор статистики и т.д.);

• системные обрабатывающие программы (компиляторы, редакторы связей, загрузчики, отладчики, текстовые или графические редакторы);

• библиотеки процедур различного назначения для разработки приложений (математические функции, функции ввода-вывода и т.д.);

• программы, предоставляющие дополнительные услуги (калькулятор, некоторые игры).

По способу оформления эти модули представляют собой либо приложения, т.е.самостоятельные программы (утилиты, системные программы и программы дополнительных услуг), либо процедуры библиотек, вызываемые из приложений.

Вспомогательные модули ОС загружаются в оперативную память только на время выполнения (транзитные модули). Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принимает производитель ОС. Так, самостоятельное приложение, имеющее спрос, может быть включено в состав ОС (например, Веб-браузер Internet Explorer), или, наоборот, модуль ОС может превратиться в отдельное приложение.

Все модули (как вспомогательные, так и пользовательские приложения) обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.

Рис.1

Привилегированный режим

Операционная система для осуществления своих управляющих функций должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Поэтому аппаратура компьютера поддерживает как минимум два режима:

• пользовательский режим (user mode) – для работы приложений;

• привилегированный режим, он же – режим ядра (kernel mode), или режим супервизора (supervisor mode) – для работы ОС или ее частей.

В привилегированном режиме чаще всего работает именно ядро как основная часть ОС. Понятия «ядро» и «привилегированный режим» тесно связаны, поэтому ядро также можно характеризовать как часть ОС, работающую в привилегированном режиме. Привилегии обеспечиваются за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных со следующими операциями:

- переключением процессора с задачи на задачу;

- управлением устройствами ввода-вывода;

- доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

В пользовательском режиме, безусловно запрещено выполнение инструкции перехода в привилегированный режим. Другие инструкции запрещается выполнять при определенных условиях, полностью контролируемых ОС. Например, ввод-вывод данных или доступ к памяти разрешены приложению, если соответствующие ресурсы выделены только этому приложению, и запрещены, если данные (соответственно память) являются общими для ОС и других приложений. Переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный при системном вызове ядра, а затем обратное переключение повышает устойчивость ОС, но замедляет выполнение системных вызовов.

Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на базе ядра, можно рассматривать как систему из трех иерархически упорядоченных слоев.

Рис.2

Многослойный подход применим и к структуре ядра как сложного многофункционального комплекса. Обычно выделяют слои, приведенные на рис.3, однако это разбиение достаточно условно.

Рис.3

Концепция микроядерной архитектуры

В привилегированном режиме работает только небольшая часть ОС - микроядро, защищенное от остальных частей ОС приложений. В состав функций микроядра включаются те функции ОС, которые трудно или невозможно выполнить в пространстве пользователя. В соответствии с выше приведенном рисунке - это функции слоя базовых механизмов обычного ядра и ниже. Остальные, высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Соотношение классической и микроядерной архитектур приведено на рис.4.

Рис.4

Однозначного решения о переносе в пользовательский режим тех или иных системных функций не существует. В общем случае как пользовательские приложения оформляются многие менеджеры ресурсов. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений (создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа и т.д.). Поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС. Одной из главных задач микроядра является поддержка взаимодействия серверов. Механизм обращения к функциям ОС с микроядерной архитектурой изображен на рис. 5.

Рис.5

Клиент (прикладная программа либо другой компонент ОС) посылает соответствующему серверу сообщение-запрос на выполнение некоторой функции. Непосредственная передача этого сообщения серверу невозможна, так как каждое приложение работает в своем адресном пространстве. В качестве посредника выступает микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме и имеющее доступ к адресным пространствам всех приложений. Микроядро передает сообщение нужному серверу, сервер выполняет запрошенную операцию и результат, снова через посредство микроядра, возвращается клиенту с помощью другого сообщения.

Такая схема обработки запроса соответствует модели клиент-сервер, где микроядро выполняет роль транспортных средств. Микроядерная архитектура используется, в частности, в некоторых вариантах ОС Unix и частично – в ОС Windows NT.-

Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС: обладают переносимостью, расширяемостью, надежностью, подходят для поддержки распределенных вычислений.

Основным недостатком микроядерной архитектуры является снижение производительности по сравнению с классическим вариантом. Так, при классической организации выполнение системного вызова требует двух переключений режимов «привилегированный – пользовательский», а при микроядерной – четырех (см. рис. 5). При обращении к часто используемым функциям работа приложений существенно замедляется. По этой причине микроядерный подход не получил широкого распространения.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается концепция архитектуры операционных систем?

2. В каком режиме работает ядро ОС?

3. В чем заключается преимущество такой архитектуры?

4. Какие основные функции выполняют модули, входящие в ядро ОС?

5. Какие модули ядра являются резидентными?

6. На какие группы по выполняемым функциям подразделяются вспомогательные модули?

7. Что представляют собой вспомогательные модули по способу оформления?

8. Какие режимы работ поддерживает аппаратура компьютера?

9. В чем заключается концепция микроядерной архитектуры ОС?