ОС лекцiя-02ua

Тема лекції:
Архітектура різноманітних
операційних систем
Л е к ц і я № 2
по курсу "Операційні системи"
Тема 1: Архітектура ОС
18.09.2022
Лектор:
Доцент кафедри Інформаційних систем
кандидат технічних наук, доцент
Голубничий Дмитро Юрійович

НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Архітектура
ОС Windows

Історія Windows
Microsoft
Windows
Логотип Microsoft Windows
Група сімейств комерційних операційних систем корпорації Microsoft, орієнтованих на управління за допомогою графічного інтерфейсу.
MS-DOS – є прабатьком Windows. Спочатку, Windows був лише графічним інтерфейсом для MS-DOS. Кожне сімейство обслуговує певний сектор комп'ютерної індустрії.
1. OC WINDOWS

Графік виходу і підтримки Windows
1. OC WINDOWS

Клони Windows
1.x
(Листопад 1985)
версія 1.0
версія 1.03
2.X
(Листопад 1987)
версія 2.0
3.x
(Травень 1990)
версія 3.0
Версія 3.1 (листопад 1992)
Версія 3.11 (for Workgroups)
NT 3.x
(Липень 1993)
Версія NT 3.1
Версія 3.5 (сентябрь1994)
Версія 3.51 (травень 1995)
9x
(Серпень 1995)
версія 95
Версія 98 (червень 1998)
Версія Me (вересень 2000)
Версія 95 OSR2
NT 4.x
(Липень 1996)
Версія NT 4.0
2000 (NT 5.0)
(Лютий 2000)
Professional
Server
Advanced Server
DataCenter
2003 (NT 5.2)
(Квітень 2003)
Web Edition
XP (NT 5.1)
(Жовтень 2001)
Home Edition
Professional
Media Center Edition
Professional x64 Edition
Starter Edition
Vista (NT 6.0)
(листопад 2006)
- 16-ти розрядні OC
- 32-ти розрядні OC з підтримкою
16-ти розрядності
- 32-ти розрядні OC
- 64-ти розрядні OC
Ultimate
Enterprise
Starter
Server 2008 R2 (NT 6.1)
Server 2008 (NT 6.0)
Windows 7
(NT 6.1) (2009)
Home Server
(NT 6.1) (2011)
Starter
Home Basic
Home Premium
Professional
Enterprise
Ultimate
Standard
Enterprise
Datacenter
Web Server
Storage Server
Home Basic
Home Premium
Business
Standard Edition
Enterprise Edition
Datacenter Edition
1. OC WINDOWS
Windows 8
(NT 6.2) (2012)
- 32-ти і 64-ти розрядні OC
Server 2012
(NT 6.2) (2012)
Professional
Enterprise
Foundation
Essentials
Standard
Datacenter
Windows 8.1
(NT 6.3) (2013)
Server 2012 R2
(NT 6.3) (2013)
Windows 10
(NT 10) (2015)
Professional
Home
Enterprise
Windows Server 2016
(NT 10) (2016)
Standard
Datacenter
Windows 11
(NT 11) (2021)
Professional
Home
Enterprise
Windows Server 2019
(NT 10) (2019)
Standard
Datacenter
Windows Server 2022
(NT 11) (2021)
Standard
Datacenter

Сумісність - можливість операційної системи виконувати застосунки, розроблені для інших операційних систем.
Види сумісності:
1. На довічним рівні (рівень виконуваної програми).
2. На рівні вихідних текстів (рівень вихідного модуля).
Вид сумісності визначається:
1. Архітектурою центрального процесора.
2. Інтерфейсом прикладного програмування (API).
3. Внутрішньої структурою виконуваного файлу.
4. Наявністю відповідних компіляторів і бібліотек.
Способи досягнення сумісності:
1. Емуляція двійкового коду.
2. Трансляція бібліотек.
3. Створення множинних прикладних середовищ різної архітектури.
1. OC WINDOWS

1. OC WINDOWS

1. OC WINDOWS

1. OC WINDOWS

System Processes (Winlogon, LSASS etc)
Services
User Processes (Explorer, Task Manager etc)
Підсистема Win32
Підсистема Posix, OS/2
NTDLL.DLL
Диспетчер системних викликів ядра (System Core Calls Dispatcher)
Інтерфейс ядра (Core Interfaces)
Ядро ОС (Kernel OS)
Hardware Abstraction Layer (HAL)
Диспетчер PnP
Диспетчер пам'яті
Диспетчер живлення
Диспетчер RPC / IPC
Диспетчер кеша I/O
HARDWARE (Motherboard, CPU, MEM, IO contollers etc)
User Mode
Kernel Mode
Архітектура Windows 2000
Диспетчер введення / виведення
Диспетчер GUI і графічних пристроїв
Диспетчер процесів
1. OC WINDOWS

Архітектура Windows XP/
Windows Server 2003
System Processes (Winlogon, LSASS etc)
Services
User Processes (Explorer, Task Manager etc)
Підсистема Win32
підсистема Posix, OS/2
NTDLL.DLL
Диспетчер системних викликів ядра (System Core Calls Dispatcher)
Інтерфейс ядра (Core Interfaces)
Ядро ОС (Kernel OS)
Hardware Abstraction Layer (HAL)
Диспетчер PnP
Диспетчер пам'яті
Диспетчер живлення
Диспетчер RPC / IPC
Диспетчер кеша I/O
HARDWARE (Motherboard, CPU, MEM, IO contollers etc)
User Mode
Kernel Mode
Диспетчер введення / виведення
Диспетчер GUI і графічних пристроїв
Диспетчер процесів
1. OC WINDOWS

System Processes (Winlogon, LSASS etc)
Services
User Processes (Explorer, Task Manager etc)
підсистема Win32
підсистема Posix
NTDLL.DLL
Диспетчер системних викликів ядра (System Core Calls Dispatcher)
Інтерфейс ядра (Core Interfaces)
Ядро ОС (Kernel OS)
Hardware Abstraction Layer (HAL)
Диспетчер PnP
Диспетчер пам'яті
Диспетчер живлення
Диспетчер RPC / IPC
Диспетчер кеша I/O
HARDWARE (Motherboard, CPU, MEM, IO contollers etc)
User Mode
Kernel Mode
Архітектура Windows Vista / Windows Server 2008
Диспетчер введення / виведення
Диспетчер GUI і графічних пристроїв
Диспетчер процесів
1. OC WINDOWS

System Processes (Winlogon, LSASS etc)
Services
User Processes (Explorer, Task Manager etc)
підсистема Win32
підсистема Posix
NTDLL.DLL
Диспетчер системних викликів ядра (System Core Calls Dispatcher)
Інтерфейс ядра (Core Interfaces)
Ядро ОС (Kernel OS)
Hardware Abstraction Layer (HAL)
Диспетчер PnP
Диспетчер пам'яті
Диспетчер живлення
Диспетчер RPC / IPC
Диспетчер кеша I/O
HARDWARE (Motherboard, CPU, MEM, IO contollers etc)
User Mode
Kernel Mode
Архітектура Windows 7 (10) /
Windows Server 2008 R2
Диспетчер введення / виведення
Диспетчер GUI і графічних пристроїв
Диспетчер процесів
1. OC WINDOWS

Стартова інформація захищених підсистем зберігається в розділі реєстру:
HKEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Control \ Session Manager \ SubSystems.
Required – список підсистем, що завантажуються при запуску системи.
Windows – вказується специфікація файлу підсистеми Windows - csrss.exe
Debug – залишається незаповненим. Він використовується для внутрішнього тестування і не виконує ніяких функцій.
Optional – вказує, що підсистеми OS/2 і POSIX запускаються на вимогу
Posix – вказується специфікація файлу підсистеми POSIX, psxss.exe
Kmode – містить ім'я файлу тієї частини підсистеми Windows, яка працює в режимі ядра, - win32k.sys
1. OC WINDOWS

1. OC WINDOWS

1. OC WINDOWS

Взаємозв'язок системних модулів
1. OC WINDOWS

Різні маршрути виконання виклик Win32 API
1. OC WINDOWS

Залежність системних модулів, включаючи win32k.sys
1. OC WINDOWS

Приклад виклику системного сервісу для створення файлу
1. OC WINDOWS

2. Архітектура
ОС React OS

ReactOS - міжнародний проект вільної і безкоштовної операційної системи з відкритим кодом. ReactOS не є точним клоном Windows, але операційною системою, сумісної з додатками і драйверами Microsoft Windows (зараз це Windows NT версії 5.x і вище - Windows 2000 і далі).
Логотип операційної системи ReactOS
2. OC REACT OS
Для відстоювання інтересів проекту був створений фонд
"ReactOS Deutschland eV", розташований в Німеччині.

ФУНКЦІОНАЛЬНІСТЬ REACTOS
Велика частина ядра повністю сумісна з Windows 2003 Server SP1:
Виконавча система (Executive)
Модулі ядра (Планувальник, Диспетчер завдань, Переривання тощо)
рівень HAL
Локальний виклик процедур ядра,
Управління процесами і потоками
Підтримка системи введення / виводу (крім PnP).
Інші частини ядра повністю сумісні з NT-архітектурою: примітний Диспетчер Cache, Менеджер Кофігурації (включаючи реєстр) і Менеджер Пам'яті.
Підтримка додатки Win32 в основному, залежить від двох компонентів:
Win32k - режим ядра для GUI.
Win32 бібліотеки (gdi32.dll, user32.dll, kernel32.dll, advapi32.dll)
2. OC REACT OS

Характеристика ядра ReactOS
2. OC REACT OS

Порівняння архітектури ReactOS з іншими ОС
2. OC REACT OS

Архітектура ReactOS
білим кольором позначено стороннє програмне забезпечення. зеленим - компоненти "простору користувача".
червоним - компоненти режиму ядра.
2. OC REACT OS

Спрощена архітектура ReactOS
2. OC REACT OS

Характеристика підсистем середовища ReactOS
1. API DLLs
для Windows: kernel32.dll, gdi32.dll, user32.dll, і т.п ..
2. Процес Підсистеми середовища
для Windows: csrss.exe (Client Server Runtime SubSystem)
3. Тільки для Windows: код режиму ядра GDI
win32k.sys - (цей код був колись частиною csrss.exe)
2. OC REACT OS

Віртуальний адресний простір користувачевого процесу в ReactOS
2. OC REACT OS

Характеристика виконавчої системи ReactOS
2. OC REACT OS

Проблеми проектування призначеного для користувача режиму в ReactOS
Проблема звернення до ntdll.dll. Не можна використовувати Wine для kernel32. ReactOS вимагає для своєї реалізації виклик ntdll.dll, які потім виконує ці системні виклики, тоді як Wine передбачає здійснення функцій API безпосередньо в DLL.
Проблема звернення до GDI і бібліотеки USER32. Технологія NT вимагає безпосереднього звернення до GDI через режим ядра (win32k.sys) . В ReactOS в підсистемі Wine робиться це всередині GDI
Проблема підтримки h-заголовків. Інші DLL безпосередньо виконуються з підсистеми Wine з мінімальними змінами, щоб підтримувати наші заголовки і формувати систему.
Проблема сумісності з Windows NT. DLL припускають працювати на рівні сумісності двійкових кодів з Windows.
Проблема підтримки файлових систем. В ReactOS доступні файлові системи FAT32, ext2, ISO-9660 (CDFS), NTFS, BtrFs, ReiserFS і UFS.
2. OC REACT OS

3. Архітектура
ОС Kolibri OS

Kolibri OS – операційна система для PC, повністю написана на асемблері fasm, поширювана на умовах GPL. Створена на основі MenuetOS. Є альтернативної операційною системою, так як вона використовує власні стандарти і НЕ заснована на POSIX.
Логотип операційної системи Kolibri OS
3. KOLIBRI OS
GNU General Public License — одна з найпопулярніших ліцензій на вільне програмне забезпечення, створена Річардом Столменом для проєкту GNU.
Мета GNU GPL — надання користувачеві прав на копіювання, зміни й розповсюдження програми та зобов'язань, згідно з якими користувачі всіх похідних від неї програм теж отримають ці права.

ПІДТРИМКА МОВИ В KOLIBRI ОС
Ада
Сі
C++
Free Pascal
Forth
Assembler
C--
General Public Licence (GPL) - кожен має необмежене право вивчати, довільно змінювати або змінювати програмне забезпечення, що володіє ліцензією GPL без будь-яких обмежень, але результат такої зміни теж повинен бути викладений під ліцензією GPL
3. KOLIBRI OS

ІСТОРІЯ KOLIBRI OS
3. KOLIBRI OS

ФУНКЦІОНАЛЬНІСТЬ KOLIBRI OS
БАГАТО ВАРІАНТІВ ЗАВАНТАЖЕННЯ, в тому числі з NTFS-розділу.
ГРАФІЧНИЙ ІНТЕРФЕЙС НА ОСНОВІ VESA. Можливість збільшення частоти монітора за рахунок зменшення дозволу.
СЕРЕДОВИЩЕ РОЗРОБКИ: редактор, макро-асемблер (fasm) для збирання ядра і додатків.
ПІДТРИМКА TCP/IP-СТЕКА для деяких мережевих карт.
ЄМНІСТЬ ОСНОВНОГО дистрибутивів – 1,44 Мбайт.
МІНІМАЛЬНИЙ ОБСЯГ ОПЕРАТИВНОЇ ПАМ'ЯТІ – 8 Мбайт.
Багатозадачність, можливість створення потоків, паралельне виконання системних викликів.
сторінковий адресації.
Підтримка файлової СИСТЕМ FAT12, FAT16, FAT32, NTFS, ISO 9660.
ПІДТРИМКА звукового кодеку AC'97 і Intel HD Audio для більшості популярних чіпсетів.
ПІДТРИМКА ВІДТВОРЕННЯ CD ТА DVD-ДИСКІВ.
ПІДТРИМКА USB (Open Host Controller Interface (OHCI), Universal Host Controller Interface (UHCI), Enhanced Host Controller Interface (EHCI)).
3. KOLIBRI OS

Монолітна архітектура Kolibri OS
Монолітне ядро - класична і найбільш поширена архітектура ядра операційних систем. Монолітні ядра надають багатий набір абстракцій обладнання.
Всі частини монолітного ядра працюють в одному адресному просторі.
3. KOLIBRI OS

модулі Kolibri OS
Модуль управління потоками
(Task manager)
Модуль динамічного розподілу пам'яті
(Memory manager)
Модуль синхронізаційних примітивів (Synchronization primitives)
Модуль управління переривань (Interrupt controller)
Модуль вводу-виводу (IO manager)
Модуль початкового завантаження
Software

Характеристика ядра Kolibri OS
Модуль управління потоками (Task manager) включає:
Планувальник потоків,
Набір функцій для управління станом потоку.
планувальник завдань реалізований у вигляді функції, що здійснює вибір активного потоку і перемикання контексту
Модуль динамічного розподілу пам'яті містить функції для динамічного розподілу пам'яті:
Alloc() - для виділення пам'яті даного розміру.
Free() - для звільнення виділеної пам'яті.
Модуль синхронізаційних примітивів включає:
Функції для створення синхронізаційних об'єктів.
Управління синхронізаційних примітивами:
семафори,
м'ютекси,
бінарні події.

Характеристика ядра Kolibri OS
Модуль управління переривань представляє:
Набір функцій для управління станом системи переривань
Функцію для інсталяції обробників переривань
Модуль вводу-виводу надає уніфікований інтерфейс для доступу до пристроїв введення-виведення.
Стандартні пристрої: таймер, миша, клавіатура, відеокарта, аудіо, мережеві карти, CD / DVD, HDD
Пристрої, з якими система взаємодіє через драйвера.
Модуль початкового завантаження - ініціалізує регістри процесора, а також структури і модулі операційної системи. Він инициализирует головне завдання (функція main) І запускає її.
Заснований на концепції завантаження образу RAM-діску в ОЗП:
первинний завантажувач знаходить файл kernel.mnt,
завантажує його в пам'ять і передає йому управління,
зчитується образ файлу в ОЗУ в реальному режимі
переміщається образ за межі 1 Мб (обмеження на адресацію в реальному режимі).

4. Архітектура
Linux

Linux - сімейство Unix-подібних операційних систем на базі ядра Linux, що включають той чи інший набір утиліт і програм проекту GNU, і, можливо, інші компоненти. Як й ядро Linux, системи на його основі як правило створюються і поширюються відповідно до моделі розробки вільного і відкритого програмного забезпечення. Linux-системи поширюються в основному безкоштовно у вигляді різних дистрибутивів - у формі, готової для установки і зручною для супроводу і оновлень, - і мають свій набір системних і прикладних компонентів, як вільних, так можливо і власницьких
4. OC LINUX
GNU General Public License (Універсальна громадська ліцензія GNU або Відкрита ліцензійна угода GNU) - ліцензія на вільне програмне забезпечення, створена в рамках проекту GNU, по якій автор передає програмне забезпечення в суспільну власність. Принцип "успадкування" прав називається "копілефт" (copyleft)

Дистрибутив Softlanding Linux System
Пітер Мак-Дональд
Патрік Фолькердінк
дистрибутив Debian
Ян Мердок
дистрибутив
Red Hat
Марк Евінг
+1993
дистрибутив Slackware

Повний перелік дистрибутивів: https://distrowatch.com/ (всього 275)
Популярність дистрибутивів за останні 6 місяців
станом на 25.08.2022 року
H.P.D. = Хітів в день

Нумерація версій
версія ядра
старша версія ревізії ядра
Парні числа позначають стабільні ревізії - призначені для промислового використання
Непарні числа позначають ревізії для розробників
молодша версія ревізії ядра
невеликі виправлення (заплатки ядра)
Наприклад,
2. 6. 24. 4
A. B. C [.D]

Ubuntu (людяність) – операційна система, заснована на Debian GNU/Linux. Основним розробником і спонсором є компанія Canonical. В даний час проект активно розвивається і підтримується вільним спільнотою.
"Коло друзів"
При розробці компонентів Ubuntu активно використовується мова програмування Python.
4. OC LINUX UBUNTU

Зовнішній вигляд Робочого столу Ubuntu 22.04 LTS
LTS (Long Term Support - "підтримка на протязі тривалого періоду")

Архітектура Linux

Один з можливих поглядів на архітектуру ядра Linux
4. OC LINUX UBUNTU

Архітектура ядра Linux
(джерело: https://makelinux.github.io/kernel/map/)
OC LINUX