1. Структура ос

Существует множество взглядов, касающихся структуры операционной системы, и в этом разделе речь пойдет о некоторых из них.

Простейшая структурная организация основана на представлении операционной системы в виде композиции следующих компонентов (Рис. 64.).

64. Структурная организация ос.

Ядро (kernel) ОС — это часть ОС, в которой реализована функциональность ОС; ядро работает в режиме супервизора, т.е. в привилегированном режиме, и резидентно (постоянно) размещается в оперативной памяти. Итак, по определению ядро обеспечивает реализацию некоторого набора функций операционной системы. Это может быть очень большой набор функций, а может маленький — все зависит от конкретной реализации системы. Ядро может включать в свой состав драйверы основных физических или виртуальных устройств.

Над уровнем ядра может надстраиваться следующий уровень — это уровень динамически подгружаемых драйверов физических и виртуальных устройств. Под динамически подгружаемыми понимается то, что в зависимости от ситуации состав этих драйверов при инсталляции и загрузке системы может меняться. Соответственно, эти драйверы можно поделить на две категории: резидентные драйверы и нерезидентные. Резидентные драйверы подгружаются в систему в процессе ее загрузки и находятся в ней до завершения ее работы. Примером резидентного драйвера может быть драйвер физического диска.

Отметим, что большинство современных операционных систем имеют в своем составе набор драйверов широкого спектра конкретных физических устройств и, в частности, физических дисков. Поэтому зачастую при смене устройства драйвер менять не надо: он уже есть в системе. Но при этом системе незачем держать драйвера всех устройств в оперативной памяти. Соответственно, следуя той или иной стратегии, будут загружаться драйверы тех физических устройств, которые реально будут обслуживаться системой. Стратегии могут быть различными, одной из них: может быть явное указание системе списка драйверов, которые необходимо подгрузить (в этом случае, если в списке что-то будет указано неправильно, то соответствующее устройство, возможно, просто не будет работать). Вторая стратегия предполагает, что система при загрузке самостоятельно сканирует подключенное к ней оборудование и выбирает те драйверы, которые должны быть подгружены для обслуживания найденного оборудования.

Итак, примером резидентного драйвера может служить драйвер физического диска. Это объясняется тем, что диск является устройством оперативного доступа, поэтому к моменту полной загрузки системы все должно быть готово для работы. А, например, в системах, где пользователи редко используют сканер, держать соответствующий драйвер резидентно не имеет смысла, поскольку скорость работы самого устройства много медленнее, чем скорость загрузки драйвера из внешней памяти в оперативную. Соответственно, драйвер сканера в этом случае служит одним из примеров нерезидентных драйверов, т.е. тех драйверов, которые могут находиться в ОЗУ, а могут быть и отключенными, но они также динамически подгружаемые.

В общем случае драйверы могут работать как в привилегированном режиме, так и в пользовательском.

И, наконец, некоторой логической вершиной рассматриваемой структуры ОС будут являться интерфейсы системных вызовов (API — Application Program Interface). Под системным вызовом будем понимать средство обращения процесса к ядру операционной системы за выполнением той или иной функции (возможности, услуги, сервиса). Примерами системных вызовов являются открытие файла, чтение/запись в него, порождение процесса и т.д. Отличие обращения к системному вызову от обращения к библиотеке программ заключается в том, что библиотечная программа присоединяется к исполняемому коду процесса, поэтому вычисление библиотечных функций будет происходить в рамках процесса. Обращение к системному вызову — это вызов тех команд, которые инициируют обращение к системе. Как уже отмечалось выше, инициацией обращения к операционной системе может служить либо прерывание, либо исполнение специальной команды. Следует понимать различие между системным вызовом и библиотечной функцией. Например, осуществляя работу с файлом, имеется возможность работы с ним посредством обращения к системным вызовам либо посредством использования библиотеки ввода-вывода. В последнем случае в тело процесса включаются дополнительные функции из данной библиотеки, а уже внутри данных функций происходит обращение к необходимым системным вызовам.

Итак, существует несколько подходов к структурной организации операционных систем. Один из них можно назвать классическим: он использовался в первых операционных системах и используется до сих пор — это подход, основанный на использовании монолитного ядра. В этом случае ядро ОС представляет собою единую монолитную программу, в которой отсутствует явная структуризация, хотя, конечно, в ней есть логическая структуризация. Это означает, что монолитное ядро содержит фиксированное число реализованных в нем функций, поэтому модификация функционального набора достаточно затруднительна. Устройство монолитного ядра напоминает физическую организацию первых компьютеров: в них также нельзя было выделить отдельные физические функциональные блоки — все было единым, монолитным и интегрированным друг с другом. Аналогичными свойствами обладают одноплатные компьютеры, у которых все необходимые компоненты (ЦПУ, ОЗУ и пр.) расположены на одной плате, и чтобы что-то изменить в этой конфигурации, требуются соответствующие инженерные знания.

На Рис. 65. проиллюстрирована структурная организация классической системы Unix. В данном случае ядро имеет фиксированный интерфейс системных вызовов. В нем реализовано управление процессами, а также драйвер файловой системы, реализована вся логика системы по организации работы с устройствами, которые можно разделить на байт-ориентированные и блок-ориентированные, и пр.