По архитектуре ядра системы можно разделить на:
- 1) Монолитная архитектура ядра
Ядро здесь – это цельная программа, она может состоять из множества файлов, которые могут выгружаться и загружаться из памяти (правда, это нежелательно), но программа все же одна. Ядро неструктурированно, и при обращении к системе происходит переключение из пользовательского режима в режим ядра.
Плюсы:
- максимальная производительность
- высокая скорость (все внутри одной программы)
Минусы:
- объемное ядро -> экспоненциальная зависимость – снижается надежность.
Эта архитектура (или ее элементы) используется во всех современных ОС.
-2) Слоистая архитектура ядра
Наиболее распространена. Предложена Дейкстра.
В ней ПО делится на слои, общение между которыми происходит только через межслойный интерфейс. Каждый слой формирует интерфейс для вышележащего слоя.
Плюсы:
- инкапсуляция, сокрытые реализации (слои можно независимо модифицировать, главное – не затрагивать АПИ)
- разработка такой системы удобна и управляема
- выше ее надежность (объемность снижается)
- выше гибкость
Минусы
- снижается производительность (обращение прикладной программы идет последовательно по слоям)
Слои (снизу вверх)
- Машинно-зависимые компоненты (то, что выполняется непосредственно железом);
- Базовые механизмы ядра (самые примитивные операции: переключение контекстов, диспетчеризация прерываний, подкачка страниц);
- Менеджеры ресурсов (управляют основными ресурсами компа: файловой системой, процессами, вводом-выводом)
- Интерфейс системных вызовов – АПИ, обслуживает системные вызовы.
-3) Микроядерная архитектура:
Принцип – минимизировать ядро. Построена по принципу клиент-серверной организации.
То, что отвечает за работу аппаратуры + базовые операции = ЯДРО
Менеджеры ресурсов и все прочее вынесены за его пределы в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Они обслуживают прикладные программы и устроены так, что могут принимать запросы и отвечать на них, посылая сообщения.
Плюсы:
- ядро превратилось в микроядро, это повышает надежность.
- гибкая структура, легко расширяется. Очень удобна для распределенных систем.
- надежная система (все серверы работают в своем адресном пространстве + крах одного сервера не затрагивает работу других)
- поддерживает распределенные вычисления
- хорошая переносимость (весь машинно зависимый код изолирован в микроядре)
Минусы:
- Вместо одного переключения – 2 – снижается производительность.
Аппаратная зависимость и переносимость операционных систем.
Не существует 100% переносимости ОС.
Переносимость – это не бинарное состоянии (переносима или нет), а понятие степени.
Понятие «степень переносимости» - усилия, которые необходимы, чтобы перенести ОС с одной платформы на другую
С точки зрения переносимости ОС состоит из 2 частей –
- аппаратно-независимая часть, пишется на ЯВУ, и переводится на язык конкретной машины с помощью транслятора С для этой машины
- аппаратно-зависимая часть, пишется на Ассемблере специально для этой машины.
Для увеличения степени переносимости ОС нужно
уменьшить объем аппаратно-зависимой части
писать большую часть системы на ЯВУ и пользоваться транслятором.
Локализовать аппаратно-зависимую часть в нескольких модулях (чтобы она не была разбросана по всей системе)
Например, в Виндовс НТ:
Существует специальный слой HAL (Hardware Abstraction Level), в котором локализованы все машинно зависимые функции ОС. Этот слой аппаратно зависимый, и включает в себя поддержку разного железа (х86, Итаниум, МИПС и тд). Он абстрагирован от архитектуры ОС.
Эти части системы, которые являются аппаратно-зависимыми, пишутся на ассемблере:
- обработчики прерываний,
- переключение контекста
- средства поддержки привилегированного режима
- системный таймер
- средства защиты областей памяти
- средства трансляции адреса.
Все остальное ПО в системе контактирует с ней через этот слой.
Все остальные компоненты ядра пишутся на С
- Исполнительная система, утилиты, драйверы
- UI и подсистема GDI
Эти функции переводятся на язык разных процессоров с помощью трансляторов.
В системе реализована многослойная архитектура, и специфичные для этой архитектуры функции локализуются в ядре.
