2.1. Архитектура на базе ядра в привилегированном режиме

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. В противовес этому, внесение изменений в функции ядра может оказаться достаточно сложным - вплоть до полной его перекомпиляции.

Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользо­вателя, считается классической. Она используется, в частности, в большинстве ва­риантов ОС Unix и с определенными модификациями - в ОС Windows NT.

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).

У тилиты Системные обрабатывающие

программы

Ядро ос

Приложения пользователя Библиотеки процедуры

Рис. 1 - Взаимодействие между ядром и другими модулями

Привилегированный режим ядра и пользовательский 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.

Если аппаратура (процессор) поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты и соответствующих прав доступа. Прямого соответствия между числом аппа­ратно реализуемых и программно реализуемых уровней привилегий нет. Так, на базе четырех уровней процессоров архитектуры х86 OS/2 строит трехуровневую, а Windows NT и Unix - двухуровневую систему привилегий.

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

Многослойный подход - универсальный и эффективный способ декомпозиции сложных систем, базирующийся на следующих положениях.

Система представляется как иерархия слоев.

Функции нижележащего слоя являются примитивами для построения более слож­ных функций вышележащего слоя.

Взаимодействие слоев осуществляется через посредство функций межслойного интерфейса.

Отдельный модуль может либо выполнить свою работу самостоятельно, либо об­ратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться к нижележащему слою че­рез межслойный интерфейс.

При таком подходе разработка системы осуществляется сверху вниз, от целей системы к их реализации. Сначала определяются функции слоев и межслойные ин­терфейсы, задающие общую структуру системы, а затем разрабатываются модули внутри слоев. Этот подход годится и для анализа сложных систем.

В ычислительную систему, работающую под управлением ОС на базе ядра, можно рассматривать как систему из трех иерархически упорядоченных слоев (рис. 2).

Утилиты, системные обрабатывающие программы, библиотеки процедур

Ядро ОС

Аппаратура

Рис.2 Трехслойная структура вычислительной системы

При такой организации ОС приложения могут взаимодействовать с аппаратурой только через слой ядра.

Многослойная структура ядра

М

Интерфейс системных вызовов

Менеджер ресурсов

Базовые механизмы ядра

Машинно-зависимые модули

Средства аппаратной

поддержки ОС

Аппаратура

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

Рис.3. Многослойная структура ядра ОС

Средства аппаратной поддержки ОС - аппаратные средства, прямо участвую­щие в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегирован­ного режима, система прерываний, переключение контекстов процессов, трансляция адресов, защита памяти и т.п.

Машино-зависимые модули - программные модули, в которых отображается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью эк­ранирует вышележащие слои от особенностей аппаратуры, т.е. позволяет делать модули вышележащих слоев машинно-независимыми (пригодными для всех типов платформ, поддерживаемых данной ОС). Примером может служить слой HAL (Hardware Abstraction Layer) в Windows NT/2000. На уровне HAL работа с устрой­ством определенного типа (накопитель, видеоплата, мышь и т.п.) всегда описыва­ется при помощи одного и того же заранее определенного набора функций. В слу­чае если устройство имеет иной набор функций (например, устаревший 3d-ускоритель может не поддерживать многих современных функций), драйвер обязан эму­лировать стандартные функции с тем, чтобы ОС могла не заботиться о том, какое конкретно устройство установлено.

Базовые механизмы ядра. Модули этого слоя не принимают решений о распре­делении ресурсов, а только отрабатывают принятые на более высоком уровне ре­шения. Выполняются наиболее примитивные операции ядра: программное переклю­чение контекстов процессов, перемещение страниц между памятью и диском, дис­петчеризация прерываний и т.п.

Менеджеры ресурсов. Модули этого уровня реализуют управление основными ресурсами системы. Группировка модулей в менеджеры обычно осуществляется пофункциям основных подсистем ОС: выделяются менеджеры процессов, ввода-выво­да и файловой системы (могут быть объединены), оперативной памяти.

Интерфейс системных вызовов. Взаимодействует непосредственно с приложе­ниями и систем-ными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс ОС (API).