Архитектурные особенности и структура операционных систем

На практике в разных системах применялись несколько типов моделей.

1.Монолитные системы (монолитное ядро, monolithic kernel). В общем случае организация системы представляет собой простейшую структуру, когда компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной программы. Операционная система написана в виде набора процедур. При использовании такой техники каждая процедура системы имеет строго определенный интерфейс и имеет возможность вызвать любую другую процедуру для выполнения поставленной задачи. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитная система – это схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их в единый объектный файл с помощью компоновщика. В такой модели полностью отсутствует сокрытие деталей реализации – каждая процедура видит любую другую процедуру. Во многих монолитных системах компиляция (сборка) осуществляется отдельно для каждого компьютера, при этом можно выбрать список оборудования и программных протоколов, поддержка которых будет включена в систему. В связи с тем, что монолитная система представляет собой единую программу, то перекомпиляция является единственным способом добавления новых компонентов и исключение неиспользуемых. Присутствие лишних компонентов не желательно, так как система полностью располагается в оперативной памяти, кроме того, исключение ненужных компонентов повышает ее надежность.

При обращении к системным вызовам, поддерживаемым операционной системой, параметры помещаются в строго определенные места – регистры или стек, после чего выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра и передает управление операционной системе (шаг 6, рис.2.5.). Затем операционная система проверяет параметры вызова, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого операционная система обращается к таблице как к массиву с номером системного вызова в качестве индекса. В k-м элементе таблицы содержится ссылка на процедуру обработки системного вызова k. Такая организация операционной системы предполагает следующую структуру (рис.2.6):

- главная программа, вызывающая требуемую служебную процедуру;

- набор служебных процедур, выполняющих системные вызовы;

- набор утилит, обслуживающих служебные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна служебная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким служебным процедурам. Монолитная структура – старейший способ организации операционных систем. Примером таких систем является большинство Unix систем.

Рис.2.6. Простая модель монолитной системы

2.Многоуровневые системы. Обобщением подхода является организация операционных систем в виде иерархии уровней. Первой многоуровневой системой была система THE, созданная в Technische Hogeschool Eindhoven (Нидерланды) Э. Дейкстроем (Е.W. Dijkstra) и его студентами в 1968 году. Она была простой пакетной системой для голландского компьютера Electrologica X8, память которого состояла из 32 Кбайт 27-разрядных слов. Система включала 6 уровней (рис.2.7):

- уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы при возникновении прерывания или при срабатывании таймера, то есть обеспечивал базовую многозадачность процессора;

- уровень 1 управлял памятью, он выделял процессам пространство в оперативной памяти и на магнитном барабане объемом 512 К слов для тех частей процессов (страниц), которые не помещались в оперативной памяти;

- уровень 2 управлял связью между консолью оператора и процессами, процессы, расположенные выше этого уровня, имели свою собственную консоль оператора;

- уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них, поэтому любой процесс выше уровня 3, вместо того чтобы работать с конкретными устройствами, мог обращаться к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающими удобными для пользователя характеристиками;

- уровень 4 был предназначен для работы пользовательских программ, которым не нужно было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода;

- уровень 5 предназначался для процесса системного оператора.

Рис. 2.7. Структура операционной системы THE

Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в операционной системе MULTICS, где уровни представляли серию концентрических колец, причем внутренние кольца являлись более привилегированными, чем внешние. Когда процедура внешнего кольца хотела вызвать процедуру кольца лежащего внутри, она должна была выполнить эквивалент системного вызова, то есть команду TRAP, параметры которой тщательно проверяются перед вызовом. Хотя операционная система MULTICS являлась частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивала защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая или запрещая доступ к индивидуальным процедурам (сегментам памяти) для записи, чтения или выполнения.

В системе THE многоуровневая схема представляла собой конструкционное решение, и все части системы были связаны в один объектный файл, а в MULTICS механизм разделения колец действовал во время исполнения на аппаратном уровне. Преимущество подхода MULTICS заключалось в том, что его можно было расширить и на структуру пользовательских подсистем.

3.Виртуальные машины. Большое количество пользователей операционной системы пакетной обработки OS/360 хотели работать в системе с разделением времени, поэтому программисты в корпорации IBM и в других центрах, решили написать систему с разделением времени. Официальная операционная система с разделением времени TSS/360 от IBM оказалась громоздкой и медленной. Группа из научного центра IBM в Кембридже, штат Массачусетс, разработала новую систему, которую IBM приняла как законченный продукт. Сейчас она используется на оставшихся мэйнфреймах. Эта система, в оригинале называвшаяся CP/CMS, а позже переименованная в VM/370, была основана на двух разделяемых принципах (рис.2.8):

- система с разделением времени обеспечивает многозадачность;

- система с разделением времени обеспечивает расширенную машину с более удобным интерфейсом, чем тот, что предоставляется оборудованием напрямую.

Рис. 2.8. Структура VM/370 с системой CMS

Сердце системы – монитор виртуальной машины работает с оборудованием и обеспечивает многозадачность, предоставляя верхнему слою не одну, а несколько виртуальных машин. В отличие от других операционных систем, эти виртуальные машины не являются расширенными, так как они не поддерживают файлы и прочие удобства, а представляют собой точные копии аппаратуры, включая режимы ядра и пользователя, ввод-вывод данных, прерывания и пр., присутствующее на реальном компьютере. Поскольку каждая виртуальная машина идентична настоящему оборудованию, на каждой из них может работать любая операционная система, которая запускается прямо на аппаратуре. На некоторых из них для обработки пакетов и транзакций работают потомки OS/360, а на других для интерактивного разделения времени пользователей работает однопользовательская интерактивная система CMS (Conversational Monitor System – система диалоговой обработки).

Когда операционная система CMS выполняет системный вызов, он прерывает операционную систему на своей собственной виртуальной машине, а не на VM/370, как произошло бы, если бы вызов работал на реальной машине. Затем операционная система CMS выдает обычные команды ввода-вывода для чтения своего виртуального диска или другие команды, которые могут понадобиться для выполнения вызова. Эти команды перехватываются VM/370, которая выполняет их в рамках моделирования реального оборудования. При полном разделении функций многозадачности и предоставления расширенной машины каждая часть может быть намного проще, гибче и удобней для обслуживания.

В настоящее время идея виртуальной машины используется для работы старых программ, написанных для системы MS-DOS на Pentium (или на других 32-разрядных процессорах Intel). При разработке компьютера Pentium и его программного обеспечения компании Intel и Microsoft учитывали потребность в работе старых программ на новом оборудовании. Поэтому корпорация Intel создала на процессоре Pentium режим виртуального процессора 8086. В этом режиме машина действует как 8086 (которая с точки зрения программного обеспечения идентична 8088), включая 16-разрядную адресацию памяти с ограничением объема памяти в 1 Мбайт. Такой режим используется системой Windows и другими операционными системами для запуска программ MS-DOS. Программы запускаются в режиме виртуального процессора 8086. Пока они выполняют обычные команды, они работают напрямую с оборудованием. Но когда программа пытается обратиться по прерыванию к операционной системе, чтобы сделать системный вызов, или пытается напрямую осуществить ввод-вывод данных, происходит прерывание с переключением на монитор виртуальной машины. Существует два типа монитора:

- система MS-DOS загружена в адресное пространство виртуальной машины 8086 (монитор виртуальной машины только отсылает прерывания назад к MS-DOS, как это происходит на реальной 8086); когда MS-DOS пытается самостоятельно осуществить ввод-вывод, операция перехватывается и выполняется монитором виртуальной машины;

- монитор виртуальной машины перехватывает первое прерывание и сам выполняет ввод-вывод, так как он знает все системные вызовы MS-DOS.

Корпорация Sun Microsystems разработала язык программирования Java и виртуальную машину (то есть архитектуру компьютера), называемую JVM (Java Virtual Machine – виртуальная машина Java). Компилятор Java выдает код для JVM, который затем выполняется программным интерпретатором JVM. Преимущество этого подхода заключается в том, что код JVM можно передавать через Internet на любой компьютер, имеющий интерпретатор JVM, и запускать там.

4.Экзоядро. Развив идею виртуальной машины VM/370, когда каждый пользователь получает точную копию настоящей машины, исследователи из Массачусетсского технологического института изобрели новую систему. В этой системе реализован принцип обеспечения каждого пользователя абсолютной копией реального компьютера, но с подмножеством ресурсов. Например, одна виртуальная машина может получить блоки на диске с номерами от 0 до 1023, следующая – от 1024 до 2047 и т.д. На нижнем уровне в режиме ядра работает программа – экзоядро (exokernel) в задачу которой входит распределение ресурсов для виртуальных машин и проверка их использования (отслеживание попыток машин использовать чужой ресурс). Каждая виртуальная машина на уровне пользователя может работать с собственной операционной системой, как на VM/370 или на виртуальных машинах 8086-х для Pentium, с той разницей, что каждая машина ограничена набором ресурсов, которые она запросила и которые ей были предоставлены. Преимущества подхода:

- отделяется многозадачность (в экзоядре) от операционных систем пользователя (в пространстве пользователя) с меньшими затратами, так как для этого экзоядру необходимо только не допускать вмешательства одной виртуальной машины в работу другой.

- можно обойтись без уровня отображения, так как экзоядру нужно только хранить запись о том, какой виртуальной машине выделен данный ресурс (при других подходах виртуальная машина считает, что она использует свой собственный диск с нумерацией блоков от 0 до некоторого максимума, поэтому монитор виртуальной машины должен поддерживать таблицы преобразования адресов на диске).

Рис. 2.9. Архитектура ОС с ядром в привилегированном режиме

5.Ядро в привилегированном режиме. Операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии, иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу операционной системы и разрушить часть ее кодов. Операционная система должна обладать исключительными полномочиями в распределении ресурсов для приложений в мультипрограммном режиме. Обеспечить привилегии невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим (режим ядра, kernel mode или режим супервизора, supervisor mode). Так как ядро выполняет все основные функции операционной системы, то чаще всего именно оно работает в привилегированном режиме (рис. 2.9).

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно или только при определенных условиях. Например, инструкции ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для операционной системы и всех приложений, но разрешены при доступе к последовательному порту, который выделен в монопольное владение для определенного приложения.

Условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем операционной системы. Контроль обеспечивается за счет набора определенных инструкций. Аналогичным образом обеспечиваются привилегии операционной системы при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разрешается, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному приложению операционной системы, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым операционной системой или другими приложениями. Полный контроль операционной системы над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме.

Каждое приложение работает в своем адресном пространстве, что позволяет локализовать некорректно работающее приложение таким образом, чтобы его ошибки не оказывали влияния на другие приложения и операционную систему. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых операционной системой, нет прямого соответствия. Например, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционная система Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.

Если аппаратура поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то операционная система может создать программным способом развитую систему защиты, поддерживающую несколько уровней привилегий, образующих иерархию. Это позволяет более точно распределять полномочия между модулями операционной системы и приложениями. Появление внутри операционной системы более привилегированных и менее привилегированных частей позволяет повысить устойчивость системы к внутренним ошибкам программных кодов, так как ошибки будут распространяться только внутри модулей с определенным уровнем привилегий. Таким образом, можно построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, например, систему защиты файлов и каталогов, которая позволит задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и каталогов.

Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – переключение из привилегированного режима в пользовательский (рис.2.10). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Архитектура операционной системы, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала классической. Ее используют многие популярные операционные системы: версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2 и Windows NT (с определенными модификациями).

В некоторых случаях разработчики операционных систем отступают от этого классического варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. Например, операционная система NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/Pentium для работы ядра и для работы приложений – загружаемых модулей NLM (рис.2.11). При таком построении операционной системы обращения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения режимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями операционной системы, от некорректно работающего приложения. Разработчики NetWare пошли на снижение надежности операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализированных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения.

В одном режиме работали ядро и приложения операционных систем, которые были разработаны для процессоров, не поддерживающих привилегированный режим работы. Например, процессор Intel 8088/86 компании IBM и операционная система MS-DOS разработанная для него компанией Microsoft. Операционная система состояла из двух модулей msdos.sys и io.sys, составлявших ядро системы, к которым с системными вызовами обращались командный интерпретатор command.com, системные утилиты и приложения. Некорректно написанные приложения могли разрушить основные модули MS-DOS, что иногда и происходило, но область использования MS-DOS (и других ранних операционных систем для персональных компьютеров) и не предъявляла высоких требований к надежности операционных систем.

Появление в более поздних версиях процессоров Intel (начиная с 80286) возможности работы в привилегированном режиме не было использовано разработчиками MS-DOS. Эта операционная система работала на процессорах данного типа в реальном режиме, в котором эмулировался процессор 8086/88. Реальный режим был реализован только для совместимости поздних моделей процессоров с ранней моделью 8086/88 и альтернативой ему явился защищенный режим работы процессора, в котором стали доступными все особенности процессоров поздних моделей, в том числе и работа на одном из четырех уровней привилегий.

Рис.2.12. Трехслойная схема вычислительной системы

6.Многослойная структура операционной системы. Вычислительную систему, работающую под управлением операционной системы на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный – ядро, верхний – утилиты, обрабатывающие программы и приложения (рис.2.12). При такой организации приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.

Многослойный подход является универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа. В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев, каждый слой обслуживает вышележащий, выполняя для него набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. На основе функций нижележащего слоя вышележащий слой строит свои более сложные функции. Между слоями существуют строгие правила взаимодействия, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.

Такая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». Кроме того, при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе. Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев (рис.2.13):

Рис. 2.13. Многослойная структура ядра ОС

Средства аппаратной поддержки операционной системы – средства, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т.п.

Машинно-зависимые компоненты операционной системы – образуются программными модулями, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры, что позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной операционной системой. Пример: экранирующий слой HAL операционной системы Windows NT.

Слой базовых механизмов ядра – выполняет самые примитивные операции ядра: программное переключение контекстов процессов; диспетчеризацию прерываний; перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т.п. Модули слоя не принимают решений о распределении ресурсов, они только отрабатывают принятые «наверху» решения, поэтому их называют исполнительными механизмами для модулей верхних слоев. Например, решение о прерывании выполнения текущего процесса А и начале выполнения процесса В принимает менеджер процессов вышележащего слоя, а слой базовых механизмов получает директиву о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса В.

Менеджеры ресурсов – слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Для исполнения принятых решений менеджер обращается к нижележащему слою базовых механизмов с конкретными запросами. Внутри слоя менеджеров существуют тесные взаимные связи, так как для выполнения процессу может потребоваться доступ одновременно к нескольким ресурсам: процессору, памяти, определенному файлу или устройству ввода-вывода и пр. Например, при создании процесса менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить процессу определенную область памяти для его кодов и данных.

Интерфейс системных вызовов – самый верхний слой ядра, который взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения.

Приведенное разбиение ядра операционной системы на слои является условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным. В системах, предназначенных для аппаратных платформ одного типа, например операционной системе NetWare, слой машинно-зависимых модулей сливается со слоем базовых механизмов и частично со слоем менеджеров ресурсов. Не всегда оформляются в отдельный слой базовые механизмы, в этом случае менеджеры ресурсов не только планируют использование ресурсов, но и самостоятельно реализуют свои планы. В некоторых операционных системах ядро состоит из большего количества слоев, например, менеджеры ресурсов имеют многослойную структуру. Прежде всего, это относится к менеджеру ввода-вывода, нижний слой которого составляют драйверы устройств (драйвер жесткого диска, драйвер сетевого адаптера и пр.), а верхние слои – драйверы файловых систем или протоколов сетевых служб, имеющие дело с логической организацией информации.

Способ взаимодействия слоев в реальной операционной системе также может отклоняться от выше описанной схемы. В ряде операционных систем для ускорения работы ядра происходит обращение с верхнего слоя к функциям нижних слоев, минуя промежуточные. Например, на многих аппаратных платформах для реализации системного вызова используется инструкция программного прерывания. Приложение вызывает модуль первичной обработки прерываний из слоя базовых механизмов, который вызывает нужную функцию из слоя системных вызовов. Сами функции системных вызовов также иногда нарушают субординацию иерархических слоев, обращаясь прямо к базовым механизмам ядра.

При выборе количества слоев учитывается, что увеличение числа слоев приводит к некоторому замедлению работы ядра за счет дополнительного межслойного взаимодействия; уменьшение числа слоев ухудшает расширяемость и логичность системы. Обычно операционные системы, прошедшие долгий путь эволюционного развития, например, многие версии UNIX, имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у операционных систем нового поколения, например, Windows NT, ядро разделено на большее число слоев, взаимодействие которых формализовано в большей степени.

7.Микроядерная архитектура. Микроядерная архитектура является альтернативой классическому многослойному способу построения операционных систем и состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизацией ядра. Подход, когда большинство составляющих операционной системы являются самостоятельными программами, называется микроядерной архитектурой (microkernel architecture). Взаимодействие между программами операционной системы обеспечивает специальный модуль ядра – микроядро. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью. Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро (рис.2.14).

Микроядро защищено от остальных частей операционной системы и приложений. В состав ядра входят машинно-зависимые модули и модули, выполняющие базовые функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме (рис.2.15). Основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например, создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т.п. Другими словами многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра (файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т.п.), становятся периферийными модулями, которые работают в пользовательском режиме и обслуживают запросы локальных приложений и других модулей операционной системы.

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным операционным системам, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства приходится платить снижением производительности, так как возникают дополнительные временные расходы, связанные с передачей запросов. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционной системе на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними.

8.Модель клиент-сервер. В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса кода в верхние уровни и минимизации ядра, что достигается перекладыванием выполнения большинства задач операционной системы на средства пользовательских процессов. Менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами операционных систем. Получая запрос на какую-либо операцию, например, чтение блока файла, пользовательский процесс (обслуживаемый или клиентский) посылает запрос серверному (обслуживающему) процессу, который его обрабатывает и высылает назад ответ (рис. 2.16).

Схематично механизм обращения к функциям операционной системы, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом. Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент операционной системы, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, находящееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. В задачу ядра входит только управление связью между клиентами и серверами.

Рис.2.16. Модель клиент-сервер

Благодаря разделению операционной системы на части, каждая из которых управляет всего одним элементом системы (файловой системой, процессами, терминалом или памятью), все части становятся маленькими и управляемыми. Поскольку все серверы работают как процессы в режиме пользователя, они не имеют прямого доступа к оборудованию. Поэтому если происходит ошибка на файловом сервере, может разрушиться только служба обработки файловых запросов, что обычно не приводит к остановке всей машины.

Другое преимущество модели клиент-сервер заключается в ее простой адаптации к использованию в распределенных системах (рис. 2.17). Если клиент общается с сервером, посылая ему сообщения, клиенту не нужно знать, обрабатывается ли его сообщение локально на его собственной машине или оно было послано по сети серверу на удаленной машине.

Некоторые функции операционной системы, такие как загрузка команд в регистры физических устройств ввода-вывода, трудно выполнить из программ в пространстве пользователя. Есть два способа разрешения этой проблемы. Первый заключается в том, что некоторые критические серверные процессы (например, драйверы устройств ввода-вывода) запускаются в режиме ядра, с полным доступом к аппаратуре, но при этом общаются с другими процессами при помощи обычной схемы передачи сообщений.

Второй способ состоит в том, чтобы встроить минимальный механизм обработки информации в ядро, но оставить принятие решений за серверами в пользовательском пространстве. Например, ядро может опознавать сообщения, посланные по определенным адресам. Для ядра это означает, что нужно взять содержимое сообщения и загрузить его, например, в регистры ввода-вывода диска для запуска операции чтения диска.

Рис. 2.17. Модель клиент-сервер в распределенной системе

9.Смешанные системы. Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Ниже приведены три примера.

Ядро операционной системы Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра – модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.

Операционные системы 4.4BSD и MkLinux, основаны на микроядре Mach. Микроядро обеспечивает управление виртуальной памятью и работу низкоуровневых драйверов. Все остальные функции, в том числе взаимодействие с прикладными программами, осуществляются монолитным ядром. Данный подход сформировался в результате попыток использования преимущества микроядерной архитектуры, сохраняя по возможности отлаженный код монолитного ядра.

Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. Микроядро Windows NT велико (более 1 Мбайт). Компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как в микроядерных операционных системах. В тоже время все компоненты работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно монолитным операционным системам.

*) Прерывание (англ. interrupt) — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.^[1]

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: