Архитектура операционной системы

Рисунок 1.8. Архитектура операционной системы

Операционная система выполняет множество функций, которые обычно группируются в соответствии с видом ресурса, которым управляет операционная система, либо со специфической задачей, применимой ко всем видам ресурсов. Можно выделить следующие функции современной многозадачной многопользовательской операционнной системы: управление процессами, управление памятью, управление файлами и внешними устройствами, защита данных и администрирование, интерфейс прикладного программирования, пользовательский интерфейс.

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

• ядро — модули, выполняющие основные функции операционной системы, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекста, управление памятью, обработка прерываний, работа с внешними устройствами и т. п.

• компоненты, реализующие дополнительные функции операционной системы — всевозможные служебные программы, или утилиты.

Для надежного управления ходом выполнения программ операционная система должна иметь по отношению к пользовательским процессам оперделённые привилегии — иначе некорректно работающее приложение сможет вмешаться в работу операционной системы. Например, взаимодействие с аппаратурой возможно только на самом высоком уровне привилегий, который не дается обычным программам. Чаще всего именно ядро является той частью операционной системы, которая работает в привилегированном режиме.

Большинство современных операционных систем представляет собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Существует ряд универсальных подходов к стуктурированию операционных систем, среди которых можно выделить монолитную и микроядерную архитектуры.

Монолитная операционная система

Большинство операционных систем использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот (хоть этот процесс и происходит с аппаратной поддержкой, он занимает значительное время). Такое ядро делится на основные компоненты и модули, реализующие дополнительную функциональность, — например, работу со специфическими внешними устройствами и файловыми системами (см. Рисунок 1.9, «Структура монолитного ядра операционной системы»). Переход из пользовательского режима в режим ядра осуществляется через системные вызовы — интерфейс ядра операционной системы.

Рисунок 1.9. Структура монолитного ядра операционной системы

Микроядерная операционная система

Альтернативой является построение операционной системы на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой. В этом случае более высокоуровневые функции операционной системы выполняются специализированными компонентами — серверами, работающими в пользовательском режиме. Управление и обмен данными при этом осуществляется через передачу сообщений, доставка которых является одной из основных функций микроядра (см. Рисунок 1.10, «Структура операционной системы с микроядром»).

Рисунок 1.10. Структура операционной системы с микроядром

При таком построении операционная система работает значительно более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным и пользовательским режимом, зато система получается более гибкой — её функции можно наращивать или модифицировать, добавляя, изменяя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.