Архитектура операционной системы

Под архитектурой операционной системы понимают структурную и функциональную организацию ОС на основе некоторой совокупности программных модулей. В состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т.д.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой унифицированной архитектуры ОС не существует, но известны универсальные подходы к структурированию ОС.

Принципиально важными универсальными подходами к разработке архитектуры ОС являются
модульная организация;
функциональная избыточность;
функциональная избирательность;
параметрическая универсальность;
концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;
разделение модулей на две группы по функциям: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;
разделение модулей ОС на две группы по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные, загружаемые в оперативную память только на время выполнения своих функций;
реализация двух режимов работы вычислительной системы: привилегированного, или режима супервизора и пользовательского режима или режима задачи ;
ограничение функций ядра (а следовательно, и количества модулей ядра) до минимального количества необходимых самых важных функций.

Операционная система состоит из четырех основных частей:
Первая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память один раз и находится в памяти резидентно – постоянно, по одним и тем же адресам. Ядро — командный интерпретатор, «переводчик» с программного языка на «железный», язык машинных кодов.
Вторая часть — Подсистема управления ресурсами — управляет вычислительными ресурсами компьютера — оперативной и внешней памятью, процессором
Третья часть — Управляющая программа – управляет исполнением других программ и функционированием устройств ввода-вывода.(используются специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера. Драйвера «системные библиотеки»)
Четвертая часть — удобная оболочка, с которой общается пользователь — интерфейс.

Архитектура операционной системы — ЯДРО
Ядро – самый ключевой, основной компонент операционной системы, именно в нем реализуется большая часть функциональности ОС. Появились различные подходы к проектированию и реализации ядра ОС, а именно
Монолитное ядро
Поуровневый подход
Микроядро
Модули ядра

Монолитное ядро
Появилось исторически первым в ходе эволюции операционных систем. ОС используют большое монолитное ядро Монолит – все вместе, все библиотеки, сервисные функции в одном ядре.

Монолитное ядро содержит следующие базовые элементы

Преимущества:
Производительность — в виду того, что количество переключений из контекста режима пользователя в режим ядра сведено к минимуму;
Недостатки:
Неустойчивость к сбоям – так как все базовые элементы и их работа выполняются в режиме ядра, и если хотя бы в одном модуле или блоке ядра произойдет какой-либо сбой, то ему будет подвержена вся ОС(все ядро), вариантов других нет, закончится все – перезапуском ОС.

Простой поуровневый подход
Разбиение на уровни помогает разбить программирование операционной системы, становится легче программировать.
Поуровневый подход используется оригинальным ядром Unix:
Небольшое число монолитных слоев
Нет инкапсуляции, функции и сервисы, предоставляемые на разных уровнях доступны всей системе
По сути ядро – набор процедур, которые могут вызывать любые другие процедуры
Огромное количество функциональности в ядре

МИКРОЯДРО
Микроядро – ядро, содержащее только самые необходимые функции.
Идея: минимизировать само ядро, вынести как можно функциональности в режим пользователя (т.е. исполнять эту функциональность в виде обычных процессов).
Многие сервисы становятся пользовательскими процессами:
Драйверы устройств,
Файловые системы,
Менеджер виртуальной памяти,
Оконные системы графического интерфейса пользователя,
Службы безопасности