Архитектурные особенности ОС
Рассмотрев эволюцию развития вычислительных и операционных систем, функции ОС «извне», рассмотрим, что представляют собой ОС «изнутри» и какие подходы существуют к их построению.
Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы — пользовательский режим (user mod e) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode) или режимом супервизора (su pervisor mode). Подразумевается, что ОС или некоторые ее части работают в привилегированном режиме (с доступом к оборудованию и ресурсам), а приложения — в пользовательском режиме.
Ø Монолитное ядро. По сути, ОС – это программа, которую можно реализовать с использованием процедур и функций. Если при этом ОС 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 режим, и наоборот, то такая архитектура построения ОС называется монолитным ядром (англ. monolithic kernel).
Архитектура «монолитное ядро» характеризуется тем, что:
Ø каждая процедура может вызвать каждую;
Ø все процедуры работают в привилегированном режиме;
Ø все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве;
Ø ядро «совпадает» со всей ОС;
Ø сборка (компиляция) ядра осуществляется отдельно для каждого компьютера, при установке, добавлении или исключении отдельных компонент требуется перекомпиляция;
Ø старейший способ организации ОС.
Архитектура «монолитное ядро» имеют долгую историю развития и усовершенствования и, на данный момент, являются наиболее архитектурно зрелыми и пригодными к эксплуатации. Вместе с тем, монолитность ядер усложняет их отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление кода, унаследованного от предыдущих версий. «Разбухание» кода монолитных ядер также повышает требования к объму оперативной памяти, требуемому для функционирования ядра ОС. Это делает монолитные ядерные архитектуры мало пригодными к эксплуатации в системах, сильно ограниченных по объму ОЗУ, например, встраиваемых системах, производственных микроконтроллерах и т.д.
Старые монолитные ядра требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования.
Следует отметить, что большинство современных ядер позволяют во время работы динамически подгружать модули, выполняющие части функции ядра. Такие ядра называются модульными ядрами. Возможность динамической подгрузки модулей не нарушает монолитности архитектуры ядра, так как динамически подгружаемые модули загружаются в адресное пространство ядра и в дальнейшем работают как интегральная часть ядра.
Не следует путать модульность ядра с гибридной или микроядерной архитектурой.
Примером систем с монолитным ядром служит большинство Unix–подобных систем, таких как BSD, Linux или NetWare.
Микроядерная архитектура
При разработке ОС используют подход, при котором значительную часть системного кода переносят на уровень пользователя с одновременной минимизацией ядра. Системы, разработанные с использованием такого подхода, называют реализованными в микроядерной архитектуре (англ. microkernel architecture). В этом случае построение ядра ОС осуществляется так, что большинство составляющих ОС являются самостоятельными программами, а взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра – микроядро, работающее в привилегированном режиме и обеспечивающее взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку преры-ваний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью (рис. 2).
Рис. 2 – Микроядерная архитектура операционной системы
В микроядерных ОС выделяют центральный компактный модуль, относящийся к супервизорной части системы. Этот модуль имеет очень небольшие размеры и выполняет относительно небольшое количество управляющих функций, но позволяет передать управление на другие управляющие модули, которые и выполнят затребованную функцию.
Микроядро – это минимальная главная (стержневая) часть ОС, служащая основой модульных и переносимых расширений. Микроядро само является модулем системного ПО, работающим в наиболее приоритетном состоянии компьютера и поддерживающим связи с остальной частью операционной системы, которая рассматривается как набор серверных приложений (служб).
Основная идея, заложенная в технологию микроядра, заключается в том, чтобы создать необходимую среду верхнего уровня иерархии, из которой можно легко получить доступ ко всем функциональным возможностям уровня аппаратного обеспечения. При этом микроядро является стартовой точкой для создания всех остальных модулей системы.
Остальные модули, реализующие необходимые системе функции, вызываются из микроядра и выполняют сервисную роль, получая при этом статус обычного процесса.
Важнейшая задача при разработке микроядра заключается в выборе базовых примитивов, которые должны находиться в микроядре для обеспечения необходимого и достаточного сервиса. В микроядре содержится и исполняется минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. В число этих вызовов входят передача сообщений и организация другого общения между внешними по отношению к микроядру процессами, поддержка управления преры-ваниями, а также ряд других весьма немногочисленных функций.
Остальные системные функции, характерные для «обычных» (не микроядерных) операционных систем, обеспечиваются как модульные дополнения-процессы, взаимодействующие главным образом между собой посредством передачи сообщений.
К преимуществам построения ОС в данной архитектуре относят:
Ø упрощенное добавление и отладка компонентов ОС без необходимости перезапуска системы за счет высокой степени модульности ядра;
Ø возможность без прерывания работы системы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т.д.
Ø возможность отладки компонентов ядра с помощью обычных программных средств;
Ø повышенная надежность системы (ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра).
К недостаткам построения ОС в данной архитектуре относят:
Ø дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений и возникающие за счет частого переключения из защищенного режима ядра в незащищенный, в котором функционируют остальные модули;
Ø усложнение процесса проектирования при попытке снижения возможных накладных расходов (требуется «аккуратное» проектирование, разбиение системы на компоненты, минимизация взаимодействия между ними).
Многоуровневые системы
Обеспечивая строгую структуризацию, можно представить всю вычислительную систему в виде ряда уровней с хорошо определенными связями между ними. При этом объекты уровня N могут вызывать только объекты уровня N-1. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) в 1968 г. Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами (рис. 3).
Рис. 3 – Структура системы THE
Вычислительные системы, реализованные в подобной архитектуре, называют многоуровневыми системами (англ. layered systems). В качестве достоинства многоуровневых систем отмечают:
Ø простоту реализации (за счет того, что при использовании операций нижнего слоя не нужно знать, как они реализованы, нужно лишь понимать, что они делают);
Ø простоту тестирования (отладка осуществляется послойно и при возникновении ошибки всегда легко локализовать ошибку);
Ø простоту модификации (при необходимости можно заменить лишь один слой, не трогая остальные).
К недостаткам относят:
Ø сложность разработки (непросто верно определить порядок и состав каждого из слоев);
Ø меньшая по сравнению с монолитными системами эффективность за счет необходимости прохождения целого ряда слоев (например, для выполнения операций ввода-вывода программе пользователя придется последовательно проходить все слои от верхнего до нижнего).
Виртуальные машины
Виртуальной машиной (англ. virtual machine) называют программную или аппаратную среду, исполняющую некоторый код (например, байт-код или машинный код реального процессора).
Байт -код (англ. byte-code) – машинно-независимый код низкого уровня, генерируемый транслятором и исполняемый интерпретатором. Большинство инструкций байт-кода эквивалентны одной или нескольким командам ассемблера. Трансляция в байт-код занимает промежуточное положение между компиляцией в машинный код и интерпретацией.
Зачастую виртуальная машина эмулирует работу реального компьютера. На виртуальную машину, так же как и на реальный компьютер можно инсталлировать ОС, у виртуальной машины может быть BIOS, оперативная память, жсткий диск (выделенное место на жстком диске реального компьютера), могут эмулироваться периферийные устройства. На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин.
На рис. 4 представлена обобщенная структура некоторой виртуальной машины с тремя различными ОС. Виртуальная машина реализует для пользователя имитацию hardware в вычислительной системе (процессор, привилегированные и непривилегированные команды, устройства ввода-вывода, прерывания и т.д.). При обращении к «виртуальному hardware» на уровне привилегированных команд в действительности происходит системный вызов реальной ОС, которая и производит все необходимые действия.
Системный вызов (англ. system call) – обращение прикладной программы к ядру ОС для выполнения какой-либо операции с использованием привилегированных команд.
Рисунок 4 – Обобщенная структура некоторой виртуальной машины
Недостатками реализации ОС в подобных архитектурах является снижение эффективности виртуальных машин по сравнению с реальным компьютером, и, как правило, их громоздкость. Преимуществом является использование в рамках одной вычислительной системы программ, созданных для разных ОС. Примерами ОС, реализованных в подобной архитектуре, являются CP/CMS (VM/370) для семейства машин IBM/370, VMWare Workstation компании VMWare.
Смешанные системы
В большинстве случаев современные ОС используют различные комбинации подходов, реализуя смешанные (гибридные) ОС. Например, ядро ОС Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры.
Системы 4.4BSD и MkLinux – монолитные ОС, работающие на микроядре Mach (микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов; остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляется монолитным ядром).
Совместно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра используются в ядре Windows NT:
Ø компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных ОС;
Ø все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных.
«ЕСЛИ БЫ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ БЫЛИ САМОЛЕТАМИ...
DOS
Пассажиры толкают самолет по взлетной полосе до тех пор, пока он не взлетит, затем запрыгивают на него и летят, пока он снова не опустится на землю. Затем все повторяется сначала.
MacOS
Все стюарды, стюардессы, пилоты, кассиры и технический персонал выглядят одинаково, говорят одинаково и действуют одинаково. Каждый раз, когда вы интересуетесь какими-либо деталями, вам объясняют, что вы это не обязаны знать, что вы этого не хотите знать, что все будет сделано без вашего участия и вообще просят вас заткнуться.
OS/2
Для того чтобы попасть в самолет, вы должны поставить на своем билете 10 разных печатей, простояв для этого в десяти разных очередях. Затем вы заполняете анкету, в которой указываете, где именно вы хотите сидеть, а также сообщаете, как должен выглядеть самолет — как океанский лайнер, как пассажирский поезд или как автобус. Если вам все-таки удается оказаться на борту, а самолету удается взлететь, то вашему полету ничто не угрожает... за исключением тех моментов, когда рули высоты и закрылки заедают в одном положении. В этом случае у вас остается достаточно времени, чтобы помолиться и занять положение для аварийной посадки.
Windows 98
Аэропорт красив и прекрасно благоустроен, кассиры и стюардессы приветливо улыбаются, попасть на борт самолета проще простого, а взлет проходит без сучка без задоринки. Затем в полете самолет внезапно взрывается без всякого предупреждения.
Windows 2000
Самолет величиной с астероид средних размеров, со множеством навесных украшений и финтифлюшек — при этом на его борт помещается только несколько пассажиров. Стюарды суровы и величественны. Перед тем как посадить пассажира в кресло, его заставляют пройти медосмотр и снимают отпечатки пальцев.
Windows XP
Аэропорт похож на гибрид «Шереметьево» с космодромом «Байконур». Самолет маячит где-то вдали: чтобы до него добраться, приходится брать такси, что обходится дороже самого полета. Во время рейса вам постоянно демонстрируют кадры разбивающихся самолетов, завершая их бодрым «Ну, с нами такого уж точно не случится!»
UNIX/LINUX
Все пассажиры приезжают в аэропорт с собственными деталями от самолета, затем собираются на взлетной полосе и начинают его строить, ни на секунду не переставая спорить о том, какого же именно типа самолет они строят.
QNX
...Миниатюрные тапочки-самолеты для детей и домашних животных!»