Операционные системы Архитектура ОС

Ядро ОС
Определения ядра (из разных источников):
центральная часть ОС, обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера:
часть операционной системы, постоянно находящаяся в оперативной памяти;
модули, выполняющие основные функции ОС, такие, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п.
часть ОС, работающая в привилегированном режиме.
Основные проблемы разработки ОС – это проблемы организации ядра и его взаимодействия с другими частями системы.
Операционные системы. Архитектура ОС

Режимы работы процессора
Привилегированный режим (режим ядра, kernel mode):
обеспечивает неограниченный доступ ко всем ресурсам компьютера.
Непривилегированный режим (пользовательский режим, user mode):
недоступны некоторые команды; может быть ограничен доступ к областям памяти, портам устройств и системным регистрам.
Использование разделения режимов – основной способ защиты от вмешательства пользовательских процессов в работу системы и других процессов.
Необходимость частого переключения режимов существенно снижает быстродействие.
Операционные системы. Архитектура ОС

Место драйверов устройств в структуре ОС
Драйверы обычно должны быть частью ядра, поскольку они непосредственно работают с аппаратурой.
Драйверы – это отдельные файлы, которые должны включаться в ядро в процессе загрузки.
В современных ОС имеется возможность подгружать и выгружать драйверы в ходе работы.
Поскольку разнообразие драйверов очень велико и разрабатывают их очень разные люди, драйверы являются основным источником ошибок при работе ОС (до 80 – 90% ошибок). Драйвер, будучи частью ядра, в состоянии вызвать крах всей системы.
Операционные системы. Архитектура ОС

Общая структура ОС
Операционные системы. Архитектура ОС

Многослойная структура ядра
Разделение ядра ОС на относительно независимые слои позволяет упростить разработку и отладку ядра, повысить надежность работы.
Операционные системы. Архитектура ОС

Средства аппаратной поддержки ОС
Разделение режимов работы процессора (колец защиты). Включает в себя проверку допустимости команд.
Средства трансляции адресов. Аппаратура обеспечивает замену виртуальных адресов физическими, в соответствии с программно управляемыми таблицами трансляции. Включает в себя проверку допустимости адресов.
Средства переключения контекста. Позволяют быстро сохранить контекст текущего процесса (нити) и загрузить другой контекст.
Система прерываний. Позволяет выбрать программу обработки прерывания, сохранить состояние прерванной программы, переключить режим процессора, маскировать прерывания, определять приоритеты прерываний.
Системный таймер. Обычно – регистр-счетчик, значение которого аппаратно декрементируется на каждом такте. По достижении нуля посылает сигнал прерывания.
Операционные системы. Архитектура ОС

Машинно-зависимые компоненты ОС
Конечно, вся ОС состоит из команд определенного процессора. Но для модулей, написанных на языке высокого уровня (C, C++ и т.п.) в большинстве случаев достаточно перетранслировать их.
Существенная зависимость от архитектуры проявляется:
в составе регистров, включаемых в контекст процесса;
в способе обработки прерываний;
в способе работы с ПУ;
в механизме трансляции адресов;
и др.
При переносе на другую аппаратную платформу машинно-зависимые модули приходится переписывать.
В Windows NT был включен слой HAL (Hardware Abstractions Level), позволявший системе работать на 4 разных архитектурах (постепенно три из них отсохли, но HAL остался).
Операционные системы. Архитектура ОС

Базовые механизмы ядра
Включают в себя:
переключение процессов;
обмен данными (свопинг) между основной памятью и дисками;
обслуживание прерываний;
пересылку сообщений;
и др.
Обычно для различных задач, решаемых ОС, различают политику, реализуемую в ОС (что нужно сделать) и механизм (как это сделать). Базовые механизмы ядра – это именно механизмы, политика же определяется на уровне менеджеров ресурсов.
Например, переключение контекста процессов – это механизм. Выбор следующего текущего процесса – политика.
Чтение сектора диска – механизм. Как долго надо хранить в памяти прочитанный сектор – политика.
Такой подход позволяет гибко изменять политику, не затрагивая механизмы.
Операционные системы. Архитектура ОС

Менеджеры ресурсов
Менеджеры ресурсов определяют политику (основные алгоритмы работы системы). Например:
диспетчер процессов;
диспетчер памяти;
диспетчер ввода/вывода;
менеджер файловой системы (ФС);
в случае нескольких ФС в рамках одной ОС – отдельные менеджеры каждой ФС плюс менеджер виртуальной ФС, выполняющий общие для всех операции;
менеджер сети;
и др.
Операционные системы. Архитектура ОС

Интерфейс системных вызовов
Определяет возможности для прикладных программ использовать услуги ОС.
Формализуется в виде API (Applied Programs Interface) – описания системных функций, их имен, количества и типа параметров.
Реализуется чаще всего в виде программных прерываний для обращения к нижележащим слоям ядра.
Некоторые простые API-функции могут выполняться без обращения к ядру.
Над API часто надстроен слой библиотечных функций или классов конкретного языка (но это уже за пределами ОС).
Операционные системы. Архитектура ОС

Взаимодействие между слоями ядра
Обычная последовательность действий – нисходящая цепочка вызовов нижележащих слоев с возвратом результатов.
Операционные системы. Архитектура ОС
В принципе, ради повышения эффективности иерархия вызовов нередко нарушается.
Часто необходимо взаимодействие между модулями одного слоя.
Например, при создании процесса диспетчер процессов обращается к менеджеру файловой системы для чтения программы и к менеджеру памяти для выделения оной.

Монолитное ядро
Все основные подсистемы и все слои ядра работают в режиме ядра и проектируются как единое целое.
Взаимодействие подсистем внутри ядра обеспечивается командами перехода и вызова подпрограмм.
Плюс: высокое быстродействие.
Минусы:
трудность отладки, сопровождения и развития системы;
возможность краха всей системы при ошибке в какой-либо ее части.
Операционные системы. Архитектура ОС

Модульно-монолитное ядро
Основные подсистемы проектируются как отдельные модули с четко определенными возможностями взаимодействия. При загрузке модули объединяются в ядро.
Сохраняется высокое быстродействие.
Существенно облегчается отладка и сопровождение.
Сохраняется возможность краха системы при сбое в отдельном модуле.
Операционные системы. Архитектура ОС

Микроядро
В режиме ядра работает минимально необходимая часть кода системы.
Большая часть модулей, традиционно включавшихся в ядро, работают в пользовательском режиме.
Сюда относятся, например, файловая система, планирование процессов, графика.
Взаимодействие модулей ОС с ядром и друг с другом – обычно путем посылки сообщений при посредстве ядра.
С драйверами – сложный вопрос.
Плюсы:
повышается надежность;
работа ядра в пределах человеческого понимания.
Минус: снижение быстродействия из-за частых вызовов микроядра другими частями системы.
Операционные системы. Архитектура ОС

Пример: структура микроядерной ОС MINIX 3
Только самый нижний уровень работает в режиме ядра.
Остальные части системы пользуются системными вызовами микроядра.
Реализация системных вызовов основана на механизме обмена сообщениями.
Операционные системы. Архитектура ОС

Гибридное ядро
Такой тип ядра является компромиссом между эффективностью монолитного ядра и надежностью микроядра.
Нередко ОС, задуманные как микроядерные, постепенно эволюционируют в сторону монолитных.
Один из вариантов: те части ОС (серверы и драйверы), которые в микроядерной архитектуре работали бы в пользовательском режиме и в отдельных адресных пространствах, в гибридной ОС работают в пространстве ядра, но при этом:
могут динамически подгружаться и выгружаться из памяти;
используют механизм сообщений для взаимодействия с микроядром.
Самый известный пример – Windows NT и ее потомки.
Операционные системы. Архитектура ОС

Наноядро и пикоядро
Наноядро – очень маленькое ядро, обеспечивающее только обработку аппаратных прерываний и передающее результат обработки в вышележащие слои ОС с помощью программных прерываний.
Например, на основании обработки прерываний от клавиатуры передать в ОС введенный символ.
Основное назначение – снизить зависимость от аппаратуры, облегчить перенос на другую платформу.
Иногда наноядро выполняет и другие функции – например, переключение нитей. Тогда это просто означает «очень маленькое микроядро».
Что такое пикоядро, никто толком не знает. Очевидно, очень маленькое наноядро.
Операционные системы. Архитектура ОС

Экзоядро: основная идея
Традиционные ОС скрывают от пользователя низкоуровневые особенности аппаратуры, предлагая взамен высокоуровневые абстракции: файлы, виртуальную память, IPC, нити и т.п.
Недостаток такого подхода: система очень сложна, отсюда – снижение производительности и ненадежность.
Можно выделить две стороны работы ОС:
предоставление процессам высокоуровневых абстракций;
контроль использования низкоуровневых ресурсов при реализации этих абстракций.
Идея экзоядерных систем: оставить за ядром только вторую часть: выделение / освобождение аппаратных ресурсов и контроль прав доступа к ним, переложив на уровень пользовательских приложений использование этих ресурсов.
Операционные системы. Архитектура ОС

Экзоядро: пользовательский уровень
Над маленьким экзоядром могут надстраиваться виртуальные машины, на которых, в принципе, могут работать разные ОС (Linux, Windows и др.).
Чтобы это осуществить, каждая виртуальная машина должна содержать специальную библиотеку (libOS), управляющую использованием ресурсов.
Фактически, каждая из таких библиотек дополняет экзоядро до ядра обычной ОС, но при этом работает в режиме пользователя, без переключения в режим ядра.
Это повышает производительность системы.
Малые размеры экзоядра позволяют обеспечить его надежность (правде, перекладывая проблемы надежности на уровень libOS).
Работа с устройствами (чтение/запись портов и т.п.) ложится на libOS, а экзоядро только проверяет права доступа данного приложения к указанным портам.
Операционные системы. Архитектура ОС

Гипервизоры и виртуализация ОС
Гипервизор – программа или аппаратная схема, обеспечивающая одновременное выполнение нескольких ОС на одном процессоре.
Гипервизор управляет физическими ресурсами компьютера, предоставляя их «гостевым» ОС.
Гипервизор должен обеспечивать:
соответствие поведения программ гостевых ОС их поведению в случае единственной ОС (за исключением, возможно, ограничения количества доступных ресурсов);
изоляцию ОС друг от друга;
достаточно высокую производительность.
С точки зрения гостевой ОС, она выполняется на отдельном компьютере (виртуальной машине).
Поэтому гипервизор называют также монитором виртуальных машин.
Операционные системы. Архитектура ОС