Архитектура операционной системы

Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, в которые изначально заложены способности к дальнейшему развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой – либо единой архитектуры операционных систем не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию операционных систем.

Ядро и вспомогательные модули операционной системы
Обобщенная структура ОС подразумевает разделение всех ее модулей на две группы:
ядро – модули, выполняющие основные функции операционной системы;
модули, выполняющие вспомогательные функции операционной системы.
Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п. Без ядра ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функции.

Функции, составляющие ядро ОС
функции решающие внутрисистемные задачи по организации вычислительного процесса и недоступные для приложений;
функции служащие для поддержки приложений, создают прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий. Эти функции образуют интерфейс прикладного программирования – API.
Функции ядра являются наиболее часто используемыми, скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой производительности ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти компьютера, то есть являются резидентными.

Нечёткость границ между ОС и приложениями
Обычно ядро ОС оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений. Часть компонентов ОС оформляются как обычные приложения(исполняемые модули стандартного формата).
Четкой грань между ОС и приложениями нет.
Решение о включении программа в ОС принимает разработчик ОС. Некоторая программа вначале может существовать как пользовательское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот.

Вспомогательные модули ОС
утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, например программа сжатия дисков и т.п.;
системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;
программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, программа калькулятора, игры;
библиотеки процедур (функций) различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций и т.п.
Для выполнения своих задач вспомогательные модули ОС обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.
Вспомогательные модули обычно загружаются в оперативную память компьютера только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными.

Ядро в привилегированном режиме
Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии.
ОС является арбитром в споре приложений за ресурсы компьютера (получение дополнительной область памяти, время занятия процессора, управление совместно используемыми внешними устройствами)в мультипрограммном режиме.
Обеспечение привилегии ОС обеспечивается специальными средствами аппаратной поддержки.

Ядро в привилегированном режиме
Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режим супервизора (supervisor mode). ОС или некоторая ее часть работают в привилегированном режиме, а приложения – в пользовательском режиме.

Запрет выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд
Приложения становятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управления устройствами ввода-вывода, доступом к механизму распределения и защиты памяти.
Выполнение некоторых команд в пользовательском режиме запрещается безусловно, другие запрещается выполнять только при определенных условиях.
Условия разрешения выполнения критичных команд находятся под полным контролем ОС , контроль обеспечивается за счет набора команд, безусловно запрещенных для пользовательского режима.

Повышение устойчивости ОС, 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.
Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима, выполняются медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.
В некоторых случаях, для повышения быстродействия, разработчики ОС отступают от этого классического варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. В этом случае снижается надежность ОС, которая компенсируется за счет тщательной отладки каждого приложения.

Однорежимные ОС
В одном режиме работают ядро и приложения тех ОС, которые разработаны для процессоров, не поддерживающих привилегированного режима работы.
Наиболее популярным процессором такого типа был процессор Intel 8088/86. MS DOS состояла из двух модулей msdos.sys и io.sys, составляющих 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.
Возможности работать в привилегированном режиме не было использовано разработчиками MS DOS .
Эта ОС всегда работала на процессорах данного типа в так называемом реальном режиме, в котором эмулируется процессор 8088/86.
Реальный режим был реализован только для совместимости поздних моделей процессоров с ранней моделью 8088/86 и альтернативой ему является защищенный режим работы процессора, в котором становятся доступны все особенности процессоров поздних моделей.

Многослойная структура ОС
.
Компьютер, работающий под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой - аппаратура, промежуточный –ядро, верхний слой системы –утилиты

Многослойная структура ОС
.
Каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс.
На основе функций нижележащего слоя следующий (верхний по иерархии) слой строит свои функции – более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя.

Многослойная структура ОС
Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, 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 имеет ряд 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”.
при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остались в силе.

Слои ядра ОС
Средства аппаратной поддержки операционной системы. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, хотя часть функций операционной системы может выполняться и аппаратными средствами. В этом случае речь идет не о всей аппаратуре компьютера, а только об аппаратуре непосредственно участвующей в организации вычислительного процесса. Например, средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства защиты памяти и т.п.
Машино – зависимые компоненты операционной системы. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. За счет этого слоя происходит полное экранирование вышележащих слоев ядра от особенностей аппаратной реализации. Тем самым позволяя разрабатывать вышележащие слои на основе Машино - независимых модулей.
5 – Интерфейс системных вызовов

Слои ядра ОС
Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра. Модули данного слоя не принимают решений о распределении ресурсов – они только отрабатывают принятые “наверху” решения, что и дает повод называть их исполнительными механизмами для модулей верхних слоев.
Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами компьютера. Обычно на данном слое работают менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти.
Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы.

Типовые средства аппаратной поддержки ОС
Практически все аппаратные платформы имеют некоторый типичный набор средств аппаратной поддержки ОС, в который входят следующие компоненты:
средства поддержки привилегированного режима;
средства трансляции адресов;
средства переключения процессов;
система прерываний;
системный таймер;
средства защиты областей памяти.

Типовые средства аппаратной поддержки ОС
Средства поддержки привилегированного режима обычно основаны на системном регистре процессора, часто называемом «словом состояния» машины или процессора. Смена режима привилегий выполняется за счет изменения слова состояния в результате прерывания или выполнения привилегированной команды.
В обязанности средств поддержки привилегированного режима входит выполнение проверки допустимости выполнения активной программой инструкций процессора при текущем уровне привилегированности.

Типовые средства аппаратной поддержки ОС
Средства трансляции адресов выполняют операции преобразования виртуальных адресов, которые содержатся в кодах процесса, в адреса физической памяти.
Средства переключения процессов предназначены для быстрого сохранения контекста приостанавливаемого процесса и восстановления контекста процесса, который становится активным. Содержимое контекста обычно включает содержимое всех регистров общего назначения процессора, регистра флагов операций (то есть флагов нуля, переноса, переполнения и т. п.), а также тех системных регистров и указателей, которые связаны с отдельным процессом, а не ОС.

Типовые средства аппаратной поддержки ОС
Система прерываний позволяет компьютеру реагировать на внешние события, синхронизировать выполнение процессов и работу устройств ввода-вывода, быстро переходить с одной программы на другую. Механизм прерываний нужен для того, чтобы оповестить процессор о возникновении в вычислительной системе некоторого непредсказуемого события или события, которое не синхронизировано с циклом работы процессора.

Типовые средства аппаратной поддержки ОС
Системный таймер часто реализуется в виде быстродействующего регистра-счетчика, необходим ОС для выдержки интервалов времени. По истечению требуемого интервала времени таймер инициирует прерывание, которое обрабатывается процедурой ОС. Прерывания от системного таймера используются ОС в первую очередь для слежения за тем, как отдельные процессы расходуют время процессора.
Средства защиты областей памяти обеспечивают на аппаратном уровне проверку возможности программного кода осуществлять с данными определенной области памяти такие операции, как чтение, запись или выполнение (при передачах управления).

Машино - зависимые компоненты ОС
Одна и та же ОС не может без каких-либо изменений устанавливаться на компьютерах, отличающихся типом процессора или/и способом организации всей аппаратуры.
ядро можно спроектировать таким образом, что только часть модулей будут машинно - зависимыми, а остальные не будут зависеть от особенностей аппаратной платформы.
Объем машинно - зависимых компонентов ОС зависит величины отличия в аппаратных платформах, для которых разрабатывается операционная система.
Несовпадение системы команд процессоров – преодолевается достаточно просто. ОС программируется на языке высокого уровня, а затем соответствующим компилятором вырабатывается код для конкретного типа процессора.
Производители ОС ограничивают распространение своей ОС только несколькими типами процессоров и созданными на их базе аппаратными платформами.

Машино - зависимые компоненты ОС
Для компьютеров на основе процессоров Intel x86/Pentium разработка экранирующего машинно - зависимого слоя упрощается за счет встроенной в постоянную память компьютера базовой системы ввода-вывода - BIOS.
BIOS содержит драйверы для всех устройств, входящих в базовую конфигурацию компьютера: жестких и гибких дисков, клавиатуры, дисплея и т.д. Эти драйверы выполняют примитивные операции по управлению устройствами компьютера, за счет этих операций экранируются различия аппаратных платформ созданных на процессорах фирмы Intel или совместимых с ними процессоров разными производителями. Разработчики ОС могут пользоваться слоем драйверов BIOS как частью машинно - зависимого слоя ОС, а могут и заменить все или часть драйверов BIOS компонентами ОС.

Переносимость ОС
Если код ОС может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа, то такую ОС называют переносимой или мобильной.
Правила для обеспечения свойства мобильности ОС:
Большая часть кода ОС должна быть написана на языке, трансляторы которого имеются на всех компьютерах, куда предполагается перенести систему. Стандартные языки высокого уровня (язык Си).
Объем машинно - зависимых частей кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован.
Аппаратно- зависимый код должен быть надежно изолирован в нескольких модулях, а не быть распределен по всей ОС.

Перенос ОС на разные аппаратные платформы
В идеале, если реальную аппаратуру подменить неким унифицированным виртуальным компьютером, одинаковым для всех вариантов аппаратной платформы, то все слои ОС выше слоя машинно - зависимых компонентов, могут быть написаны для управления этой виртуальной аппаратурой. Уразработчиков появляется возможность создавать один вариант машинно - независимой части ОС (ядра, утилиты, системные обрабатывающие программы) для всего набора поддерживаемых платформ.

Микроядерная архитектура
При микроядерной архитектуре в привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром.
Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно - зависимые модули, модули выполняющие базовые функции ядра. Все остальные базовые функции и другие, более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме.