Архітектура операційних систем

Архітектура операційних систем

• Означення архітектури операційних систем

• Ядро системи та системне програмне забезпечення

• Підходи до реалізації архітектури операційних систем

• Взаємодія операційної системи та апаратного забезпечення

• Взаємодія операційної системи та прикладних програм

• Архітектура UNIX і Linux

• Архітектура Windows ХР

Операційну систему можна розглядати як сукупність компонентів, кожен з яких відповідає за певні функції. Набір таких компонентів і порядок їхньої взаємодії один з одним та із зовнішнім середовищем визначається архітектурою операційної системи.

У цьому розділі ми ознайомимося з основними поняттями архітектури операційних систем, підходами до її реалізації, особливостями взаємодії ОС із зовнішнім середовищем. Реалізацію архітектури буде розглянуто на прикладах UNIX, Linux і Windows ХР.

Базові поняття архітектури операційних систем

Механізми і політика

Коли за реалізацію механізму і політики відповідають різні компоненти (механізм відокремлений від політики), спрощується розробка системи і… мін «вільні від політики» (policy-free). Компоненти, відповідальні за… Прикладом відокремлення механізму від політики є керування введенням-виведенням. Базові механізми доступу до…

Ядро системи. Привілейований режим і режим користувача

Існуючі на сьогодні підходи до проектування архітектури ОС по-різному визначають функціональність ядра. До найважливіших функцій ОС, виконання яких… Основною характерною ознакою ядра є те, що воно виконується у привілейованому… Для забезпечення ефективного керування ресурсами комп'ютера ОС повинна мати певні привілеї щодо прикладних програм.…

Системне програмне забезпечення

Окрім ядра, важливими складниками роботи ОС є також застосування режиму користувача, які виконують системні функції. До такого системного програмного забезпечення належать:

• системні програми (утиліти), наприклад: командний інтерпретатор, програми резервного копіювання та відновлення даних, засоби діагностики й адміністрування;

• системні бібліотеки, у яких реалізовані функції, що використовуються у застосуваннях користувача.

Системне програмне забезпечення може розроблятися й постачатися окремо від ОС. Наприклад, може бути кілька реалізацій командного інтерпретатора, засобів резервного копіювання тощо. Системні програми і бібліотеки взаємодіють з ядром у такий самий спосіб, як і прикладні програми.

Реалізація архітектури операційних систем

У цьому розділі розглянуто кілька підходів до реалізації архітектури операційних систем. У реальних ОС звичайно використовують деяку комбінацію цих підходів.

Монолітні системи

ОС, у яких усі базові функції сконцентровані в ядрі, називають монолітними системами. У разі реалізації монолітного ядра ОС стає продуктивнішою (процесор не перемикається між режимами під час взаємодії між її компонентами), але менш надійною (весь її код виконується у привілейованому режимі, і помилка в кожному з компонентів є критичною).

Монолітність ядра не означає, що всі його компоненти мають постійно перебувати у пам'яті. Сучасні ОС дають можливість динамічно розміщувати в адресному просторі ядра фрагменти коду (модулі ядра). Реалізація модулів ядра дає можливість також досягти його розширюваності (для додання нової функціональності досить розробити і завантажити у пам'ять відповідний модуль).

Багаторівневі системи

У традиційних багаторівневих ОС передача керування з верхнього рівня на нижній реалізується як системний виклик. Верхній рівень повинен мати права… Рівні можуть виділятися й у монолітному ядрі; у такому разі вони підтримуються… • Засоби абстрагування від устаткування, які взаємодіють із апаратним забезпеченням безпосередньо, звільняючи від…

Системи з мікроядром

Мікроядро здійснює зв'язок між компонентами системи і виконує базовий розподіл ресурсів. Щоб виконати системний виклик, процес (клієнтський процес,… (рис. 2.1). Клієнтами можуть бути не лише процеси користувача, а й інші модулі… Перевагами мікроядрового підходу є:

Концепція віртуальних машин

Уперше концепція віртуальних машин була реалізована в 70-ті роки в опера ційній системі VM фірми IBM. У СРСР варіант цієї системи (VM/370) був… Ядро системи, яке називалося монітором віртуальних машин (VM Monitor, МВМ),… Коли програма, написана для ПДО, виконувала системний виклик, його перехоплювала копія ПДО, запущена на відповідній…

Операційна система та її оточення

Із означення ОС випливає, що вона реалізує зв'язок між апаратним забезпеченням комп'ютера (через інтерфейс апаратного забезпечення) і програмами користувача (через інтерфейс прикладного програмування). У цьому розділі розглянуто особливості реалізації та використання цих інтерфейсів.

Взаємодія ОС і апаратного забезпечення

Взаємодію ОС і апаратного забезпечення слід розглядати з двох боків. З одного боку, ОС повинна реалізовувати засоби взаємодії з апаратним забезпеченням, з іншого — архітектуру комп'ютера треба проектувати з урахуванням того, що на комп'ютері функціонуватиме ОС.

Інтерфейс апаратного забезпечення має бути повністю схований від прикладних програм і користувачів, усю роботу з ним виконує ОС. Розглянемо особливості апаратної підтримки цього інтерфейсу і його використання в сучасних ОС.

Засоби апаратної підтримки операційних систем

Система переривань є основним механізмом, що забезпечує функціонування ОС. За допомогою переривань процесор отримує інформацію про події, не… Апаратне переривання — це спеціальний сигнал (запит переривання, IRQ), що… До апаратних переривань належать:

Апаратна незалежність і здатність до перенесення ОС

Рівень абстрагування від устаткування відображає такі особливості архітектури, як число процесорів, типи їхніх регістрів, розрядність і організація… Крім рівня абстрагування від устаткування, від апаратного забезпечення… Здатність до перенесення ОС визначається обсягом робіт, необхідних для того, щоб система могла працювати на новій…

Взаємодія ОС і виконуваного програмного коду

У роботі в режимі користувача часто необхідне виконання дій, реалізованих у ядрі ОС (наприклад, під час запису на диск із прикладної програми). Для цього треба забезпечити взаємодію коду режиму користувача та ОС. Розглянемо особливості такої взаємодії.

Системні виклики та інтерфейс програмування застосувань

Розглянемо послідовність виконання системного виклику. 1. Припустимо, що для процесу, який виконується в режимі користувача, потрібна… 2. Для того щоб звернутися до цієї функції, процес має передати керування ядру ОС, д ля чого н е о б хі д но задати…

Програмна сумісність

Програмна сумісність означає можливість виконувати в середовищі однієї операційної системи програми, розроблені для іншої ОС. Розрізняють сумісність… Для сумісності на рівні вихідних текстів необхідно, щоб для всіх ОС існувала… Сьогодні таку сумісність забезпечує стандартизація розробки програмного забезпечення, а саме:

Особливості архітектури: UNIX і Linux

Базова архітектура UNIX

  Система складається із трьох основних компонентів: підсистеми керування… Підсистема керування процесами контролює створення та вилучення процесів, розподілення системних ресурсів між ними,…

Архітектура Linux

• ядро, яке реалізує основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, введенням-виведенням тощо); • системні бібліотеки, що визначають стандартний набір функцій для… • системні утиліти (прикладні програми, які виконують спеціалізовані задачі). Призначення ядра Linux і його…

Модулі ядра

Модулі ядра надають низку переваг. • Код модулів може завантажуватися в пам'ять у процесі роботи системи, що… • З'являється можливість змінювати набір компонентів ядра під час виконання: ті з них, які в цей момент не…

Особливості системних бібліотек

Системні бібліотеки Linux є динамічними бібліотеками, котрі завантажуються у пам'ять тільки тоді, коли у них виникає потреба. Вони виконують ряд функцій:

• реалізацію пакувальників системних викликів;

• розширення функціональності системних викликів (до таких бібліотек належить бібліотека введення-виведення мови С, яка реалізує на основі системних викликів такі функції, як print fO);

• реалізацію службових функцій режиму користувача (сортування, функції обробки рядків тощо).

Застосування користувача

Застосування користувача в Linux використовують функції із системних бібліотек і через них взаємодіють із ядром за допомогою системних викликів.

Особливості архітектури: Windows ХР

У цьому розділі ми розглянемо основні компоненти Windows ХР [14, 44], які зображені на рис. 2.4.

 

Деякі компоненти Windows ХР виконуються у привілейованому режимі, інші компоненти - у режимі користувача. Ми почнемо розгляд системи з компонентів режиму ядра.

Компоненти режиму ядра

У традиційному розумінні (див. розділ 1.2) ядро ОС містить усі компоненти привілейованого режиму, однак у Windows ХР поняття ядра закріплене тільки за одним із цих компонентів.

Рівень абстрагування від устаткування

У Windows ХР реалізовано рівень абстрагування від устаткування (у цій системі його називають HAL, hardware abstraction layer). Для різних апаратних конфігурацій фірма Microsoft або сторонні розробники можуть постачати різні реалізації HAL.

Хоча код HAL є дуже ефективним, його використання може знижувати продуктивність застосувань мультимедіа. У такому разі використовують спеціальний пакет DirectX, який дає змогу прикладним програмам звертатися безпосередньо до апаратного забезпечення, обминаючи HAL та інші рівні системи.

Ядро

Ядро Windows ХР відповідає за базові операції системи. До його основних функцій належать:

• перемикання контексту, збереження і відновлення стану потоків;

• планування виконання потоків;

• реалізація засобів підтримки апаратного забезпечення, складніших за засоби HAL (наприклад, передача керування оброблювачам переривань).

Ядро Windows ХР відповідає базовим службам ОС і надає набір механізмів для реалізації політики керування ресурсами.

Основним завданням ядра є якомога ефективніше завантаження процесорів системи. Ядро постійно перебуває в пам'яті, послідовність виконання його інструкцій може порушити тільки переривання (під час виконання коду ядра багатозадачність не підтримується). Для прискорення роботи ядро ніколи не перевіряє правильність параметрів, переданих під час виклику його функцій.

Windows ХР не можна віднести до якогось певного класу ОС. Наприклад, хоча за функціональністю ядро системи відповідає поняттю мікроядра, для самої ОС не характерна класична мікроядрова архітектура, оскільки у привілейованому режимі виконуються й інші її компоненти.

Виконавча система

Компонентами ВС є передусім базові засоби підтримки. Ці засоби використовують у всій системі. • Менеджер об'єктів - відповідає за розподіл ресурсів у системі, підтримуючи… • Засіб локального виклику процедур (LPC) - забезпечує механізм зв'язку між процесами і підсистемами на одному…

Драйвери пристроїв

У Windows ХР драйвери не обов'язково пов'язані з апаратними пристроями. Застосування, якому потрібні засоби, доступні в режимі ядра, завжди варто оформляти як драйвер. Це пов'язане з тим, що для зовнішніх розробників режим ядра доступний тільки з коду драйверів. Докладніше реалізацію драйверів Windows ХР буде розглянуто в розділі 15.

Віконна і графічна підсистеми

Віконна і графічна підсистеми відповідають за інтерфейс користувача - роботу з вікнами, елементами керування і графічним виведенням.

• Менеджер вікон — реалізує високорівневі функції. Він керує віконним виведенням, обробляє введення з клавіатури або миші й передає застосуванням повідомлення користувача.

• Інтерфейс графічних пристроїв (Graphical Device Interface, GDI) - складається з набору базових операцій графічного виведення, які не залежать від конкретного пристрою (креслення ліній, відображення тексту тощо).

• Драйвери графічних пристроїв (відеокарт, принтерів тощо) — відповідають за взаємодію з контролерами цих пристроїв.

Під час створення вікон або елементів керування запит надходить до менеджера вікон, який для виконання базових графічних операцій звертається до GDI. Потім запит передається драйверу пристрою, затим — апаратному забезпеченню через HAL.

Компоненти режиму користувача

Компоненти режиму користувача не мають прямого доступу до апаратного забезпечення, їхній код виконується в ізольованому адресному просторі. Більша частина коду режиму користувача перебуває в динамічних бібліотеках, які у Windows називають DLL (dynamic-link libraries).

Бібліотека системного інтерфейсу

  Підсистеми середовища Підсистеми середовища надають застосуванням користувача доступ до служб операційної системи, реалізуючи відповідний…

Наперед визначені системні процеси

• Менеджер сесій (Session Manager, smss.exe) створюється в системі першим. Він запускає інші важливі процеси (процес підсистеми Win32, процес… • Процес реєстрації в системі (winlogon.exe) відповідає за допуск користувача… • Менеджер керування службами (Service Control Manager, services.exe) відповідає за автоматичне виконання певних…

Застосування користувача

Застосування користувача можуть бути створені для різних підсистем середовища. Такі застосування використовують тільки функції відповідного АРІ. Виклики цих функцій перетворюються в системні виклики за допомогою динамічних бібліотек підсистем середовища.

Об'єктна архітектура Windows ХР

• Імена об'єктів організовані в єдиний простір імен, де їх легко знаходити. • Доступ до всіх об'єктів здійснюється однаково. Після створення нового… • Забезпечено захист ресурсів. Кожну спробу доступу до об'єкта розглядає підсистема захисту - без неї доступ до…

Структура заголовка об'єкта

Об'єкти складаються з двох частин: заголовка і тіла об'єкта. У заголовку міститься інформація, загальна для всіх об'єктів, у тілі - специфічна для об'єктів конкретного типу.

До атрибутів заголовка об'єкта належать:

• ім'я об'єкта і його місце у просторі імен;

• дескриптор захисту (визначає права, необхідні для використання об'єкта);

• витрата квоти (ціна відкриття дескриптора об'єкта, дає змогу регулювати кількість об'єктів, які дозволено створювати);

• список процесів, що дістали доступ до дескрипторів об'єкта.

Менеджер об'єктів здійснює керування об'єктами на підставі інформації з їхніх заголовків.

Об'єкти типу

Формат і вміст тіла об'єкта визначається його типом. Новий тип об'єктів може бути визначений будь-яким компонентом ВС. Існує визначений набір типів об'єктів, які створюються під час завантаження системи (такі об'єкти, наприклад, відповідають процесам, відкритим файлам, пристроям введення-виведення). Частина характеристик об'єктів є загальними для всіх об'єктів цього типу.

Для зберігання відомостей про такі характеристики використовують спеціальні об'єкти типу (type objects). У такому об'єкті, зокрема, зберігають:

• ім'я типу об'єкта («процес», «потік», «відкритий файл» тощо);

• режими доступу (залежать від типу об'єкта: наприклад, для файла такими режимами можуть бути «читання» і «запис»).

Об'єкти типу недоступні в режимі користувача.

Методи об'єктів

Коли компонент ВС створює новий тип об'єкта, він може зареєструвати у диспетчері об'єктів один або кілька методів. Після цього диспетчер об'єктів викликає ці методи на певних етапах життєвого циклу об'єкта. Наведемо деякі з методів об'єктів:

• open — викликається при відкритті дескриптора об'єкта;

• close — викликається при закритті дескриптора об'єкта;

• delete - викликається перед вилученням об'єкта з пам'яті.

Покажчики на код реалізації методів також зберігаються в об'єктах типу.

Простір імен об'єктів

Усі імена об'єктів у ВС розташовані в глобальному просторі імен, тому будь-який процес може відкрити дескриптор об'єкта, вказавши його ім'я. Простір імен об'єктів має ієрархічну структуру, подібно до файлової системи. Аналогом каталогу файлової системи в такому просторі імен є каталог об'єктів. Він містить імена об'єктів (зокрема й інших каталогів). Перелічимо деякі наперед визначені імена каталогів:

• Device — імена пристроїв введення-виведення;

• Driver - завантажені драйвери пристроїв;

• ObjectTypes - об'єкти типів.

Простір імен об'єктів, як і окремі об'єкти, не зберігається після перезавантаження системи.

 

Висновки

• Архітектура ОС визначає набір її компонентів, а також порядок їхньої взаємодії один з одним та із зовнішнім середовищем.

• Найважливішим для вивчення архітектури ОС є поняття ядра системи. Основною характеристикою ядра є те, що воно виконується у привілейованому режимі.

• Основними типами архітектури ОС є монолітна архітектура й архітектура на базі мікроядра. Монолітна архітектура вимагає, щоб головні функції системи були сконцентровані в ядрі, найважливішою її перевагою є продуктивність. У системах на базі мікроядра в привілейованому режимі виконуються тільки базові функції, основними перевагами таких систем є надійність і гнучкість.

• Операційна система безпосередньо взаємодіє з апаратним забезпеченням комп'ютера. Сучасні комп'ютерні архітектури пропонують багато засобів підтримки роботи операційних систем. Для зв'язку з апаратним забезпеченням в ОС виділяється рівень абстрагування від устаткування.

• Операційна система взаємодіє із прикладними програмами. Вона надає набір системних викликів для доступу до функцій, реалізованих у ядрі. Для прикладних програм системні виклики разом із засобами системних бібліотек доступні через інтерфейс програмування застосувань (АРІ).

 

 

Контрольні запитання та завдання

2. Чи може процесор переходити у привілейований режим під час виконання програми користувача? Чи може така програма виконуватися виключно в… 3. У чому полягає головний недолік традиційної багаторівневої архітектури ОС?… 4. Чому перехід до використання мікроядрової архітектури може спричинити зниження продуктивності ОС?