12. Архитектура ос.

ОС состоит из:

• Ядро - это модули, выполняющие основные функции ОС

• Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

ЯДРО

Оформляется в виде программного модуля некоторого операционного формата, отличающихся от форматов прикладных программ.

Функции:

• Управление вычислительным процессом (переключение контекстов, загрузка или выгрузка страниц, обработка прерываний - модули ядра недоступны приложению)

• Поддержка приложений, которые обращаются к ядру с запросом (системными вызовами)

Эти функции образуют интерфейс прикладного программирования (API)

Вспомогательные модули

• Утилиты - программы для управления и сопровождения компьютерных систем

• Системы, обрабатывающие программы - компиляторы, компоновщики, отладчики, текстовые и графические редакторы.

• Программы предоставления пользователю вспомогательного или дополнительного интерфейса - калькуляторы, игры

• Библиотеки, процедуры

Вспомогательные модули - это транзитные модули, т.к. загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функции.

Для надежного управления ходом выполнения приложения, ОС должна иметь по отношению к приложению некоторые привилегии. Обеспечить привилегии ОС можно с помощью средств аппаратной поддержки.

Аппаратура компьютера поддерживает 2 режима работы:

• Пользовательский

• Привилегированный

В пользовательском режиме существуют следующие запреты:

1. Запрет инструкции перехода в привилегированный режим

2. Запрет инструкции ввода-вывода при доступе к контролю жесткого диска, где хранятся данные общие для ОС и приложений

3. Запрет инструкции доступа к памяти при обращении к областям памяти, занимающим другими ОС или другими приложениями.

Для привилегированного ядра: UNIX, VAX, VMS, OS/2, WINDOWS NT

Для режима общего, когда работают одновременно ядро и приложения (ОС): Novell Net Ware

Intel 8088/86i, MS-DOS ( msdos.sys io.sys)

ОС и её ядро имеют многослойную структуру:

1. Аппаратура

2. Средства аппаратной поддержки ОС - средства поддержки привилегированного режима, системы прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т.д.

3. Машинно-зависимые модули - отражают специфику аппаратной платформы и представляют собой так называемый экранирующий слой, защищающий ядро системы от некоторых архитектурных особенностей. ( HAL, Windows NT)

4. Базовые механизмы ядра - диспетчеризация прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и т.д., т.е. фактически они являются исполнительными механизмами ядра

5. Менеджеры ресурсов - функциональные модули, реализующие стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. (менеджеры - процессов, ввода- вывода, файлов систем, оперативной памяти). Менеджер ведет учет свободных и используемых ресурсов и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений.

6. Интерфейс системы вызовов, в которых образуется прикладной программный интерфейс API.

12. Средства аппаратной поддержки ос

Для того, чтобы ОС могла работать на различных аппаратных платформах, необходимо в ядре ОС выделить слой машинно-зависимых компонент (который придется менять при переходе к другой платформе), а остальные слои сделать общими.

Для выделения машинно-зависимых компонент, рассмотрим, какие функции ОС выполняются аппаратно.

Чаще всего, современные платформы аппаратно поддерживают:

1. Привилегированный режим процессора

2. Средства трансляции (настройки) адресов

3. Переключение процессов

4. Прерывания

5. Системный таймер

6. Систему защиты областей памяти.

1. Система поддержки привилегированного режима основана на системном регистре регистра процессора, который содержит признаки, определяющие режим работы процессора, в частности и уровень привилегий.

Смена режима привилегий выполненяется за счет изменения системного регистра в результате прерывания или выполнения привилегированной команды

2. Средства трансляции (настройки) адресов преобразует виртуальный адрес, записанный в программе, в физический адрес памяти.

Аппаратура содержит указатели на область ОС, которые содержат таблицы, предназначенные для трансляции адресов.

3.Средства переключения процессов служат для сохранения состояния контекста прерываемого процесса и восстановления контекста процесса, который становится активным.

(Контекст – это содержание основных регистров процессора, которые отличаются для разных задач.)

РОН, ЕFLFGS, системные регистры.

Для хранения контекстов используются области ОС, которые поддерживаются указателями процессора.

4.Система прерываний обеспечивает реакцию процессора на событие, происходящее неожиданно, т.е. не предусмотренное в цепочке выполняемых команд программы

При этом устройство передает электрический сигнал в процессор, который по номеру прерывания переходит на соответствующую программу обработки прерывания. После окончания обработки управление обычно возвращается на прерванную программу.

5. Системный таймер – необходим ОС для выдержки интервала времени.

(Это специальный регистр – счетчик, в который заносится заданное значение, и который автоматически уменьшается по единице с частотой, определяемой кварцевым генератором. По достижении нуля, таймер вырабатывает сигнал прерывания, используемый для выполнения нужной процедуры, например, переключения активного процесса. Системный таймер не следует путать со встроенными часами, которые работают постоянно от независимого источника питания (аккумулятора).

6.Средства защиты областей памяти (обеспечивает аппаратную проверку разрешения выполнять доступ к данным в некоторой области при выполнении любой задачи. Проводится сравнение сегмента памяти для данной задачи и вызываемого адреса..)

Таким образом, ОС для решения своих задач взаимодействует с аппаратными средствами компьютера, что делает ее машинно-зависимой, т.е. привязывает ее к аппаратной платформе.

В хорошо структурированном ядре ОС машинно-зависимые модули локализованы. Это упрощает перенос ОС в др. аппаратную платформу. Объем машинно-зависимых компонентов ОС зависит от различий в аппаратных платформах.

Если код ОС может быть легко перенесен с процессора одного типа на процессор др. типа, то такую ОС называют мобильной (переносимой) ОС.

Переносимость ОС достигается за счет следующих особенностей:

1. Осн. часть кода должна быть написана на языке, транслятор которого есть на компьютере, куда переносится ОС. 

2. Объем машинно-зависимых модулей должен быть минимизирован.

3. Аппаратно-зависимый код должен быть локализован (в нескольких модулях, а не разбрасывать по всему коду ОС).