Ядро ОС. Компоненты ОС. Принципы построения ОС

Ядро́ — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации.

Модули ядра ОС
Модули ядра ОС выполняют следующие базовые функции ОС:
управление процессами
управление памятью
управление устройствами ввода-вывода
Ядро обеспечивает решение задачи организации вычислительного процесса: загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний и т.п.
Другая задача – поддержка приложений, создание для них прикладной программной среды. Приложения обращаются к ядру с запросами (системными вызовами) для выполнения базовых операций (открытие и чтение файла, вывод информации на дисплей и т.п.)
Функции выполняемые ядром ОС требуют высокой скорости выполнения и для этого размещаются постоянно в оперативной памяти.

Вспомогательные модули операционной системы
Вспомогательные модули выполняют полезные, но менее обязательные функции. Например:
архивирование информации;
дефрагментация данных на диске;
поиск необходимого файла и т.п.
Вспомогательные модули часто оформляются как обычные приложения и провести границу между ними и обычными приложениями сложно.
Деление на основные и вспомогательные модули ОС условно. Некоторые программы переходят из разряда вспомогательных модулей в основные и наоборот.

Вспомогательные модули операционной системы
Вспомогательные модули ОС условно разделяются на следующие группы:
Утилиты – приложения, решающие отельные задачи управления и сопровождения ОС
Системные обрабатывающие программы – текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики и т.п.
Программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры и т.п.
Библиотеки процедур – модули различного назначения, упрощающие разработку приложений.
Вспомогательные модули обращаются к функциям ядра ОС посредством системных вызовов.

Ядро и вспомогательные модули операционной системы
Ядро ОС
утилиты
Системные обрабатывающие программы
пользовательские приложения

Привилегированный режим процессора
Для надежного управления работой приложений ядро ОС должно обладать некоторыми привилегиями по отношению к остальным приложениям.
Обеспечивается привилегированный режим специальными средствами аппаратной поддержкой. Процессор компьютера поддерживает как минимум два режима работы – пользовательский (user mode) и привилегированный (kernel mode).
Приложения в пользовательском режиме не могут выполнять некоторые критичные команды (переключение процессора с задачи на задачу, доступ к механизму выделения и защиты областей памяти и т.п.).

Детализация структуры ядра
Ядро, являясь структурным элементом ОС, может быть логически разложен на ряд слоев:
Средства аппаратной поддержки ОС
Машинно-зависимые компоненты ОС (включает модули, отражающие специфику аппаратной платформы компьютера)
Базовые механизмы ядра (включает наиболее примитивные операции ядра – переключение контекстов процессов, диспетчеризация прерываний), модули выполняют решения принятые на более высоких уровнях
Менеджеры ресурсов (реализует задачи стратегического управления), включает менеджеры – диспетчеры процессов, ввода-вывода и т.п.
Интерфейсы системных вызовов (включает модули взаимодействия с приложениями и системными утилитами

Переносимость операционной системы
Под переносимостью операционной системы понимается способность использования ОС на различных аппаратных платформах с минимальными изменениями в ее структуре. Для уменьшения числа машинно-зависимых модулей разработчики ОС ограничивают универсальность машинно-независимых модулей. Например, Windows разработана для нескольких типов процессоров и для многопроцессорных систем используются собственные модули.
Для обеспечения переносимости следуют следующим правилам:
Большая часть кода написана на языке, трансляторы которого существуют для всех планируемых платформ;
Объем машино-зависимых частей кода должен быть минимизирован;
Аппаратно-зависимый код должен быть изолирован в нескольких модулях
В идеале машино-зависимые модули ядра полностью экранируют остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы (кэши, контроллеры прерываний и т.п.).

Микроядерная архитектура
Концепция микроядерной архитектуры заключается в выделении в качестве работающего в привилегированном режиме части ОС, ответственном за небольшой набор системных функций (управление процессами, обработка прерываний, управление виртуальной памятью, пересылка сообщений). Данная часть ОС называется микроядром.
Все остальные высокоуровневые функции ядра разрабатываются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме – серверы ОС.
Взаимодействие между обычными приложениями и серверами ОС осуществляется через механизм обращений. Клиентское приложение отправляет запрос к серверу ОС через микроядро ОС. Такой механизм обеспечивает защиту работы приложений.

Принципы построения ОС

Принцип генерируемости. Позволяет настроить ядро и остальные компоненты ОС исходя из конкретной конфигурации ЭВМ и круга решаемых задач. Процедура настройки называется инсталляцией.
Принцип функциональной избыточности. Обеспечивает возможность выполнения одной и той же операции различными способами и средствами, что определяет универсальность и гибкость ОС.

Принцип независимости программ от внешних устройств. Позволяет осуществлять обмен данными и управление внешними устройствами независимо от их характеристик. Это достигается за счет того, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период ее исполнения. Например, программе, выполняющей обработку последовательного набора данных, безразлично, какой носитель будет использоваться для их хранения. Непосредственное управление обменом данных между системой и внешними устройствами выполняют специальные программы, называемые драйверами.
Принцип совместимости. ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.

Принцип расширяемости (открытой и наращиваемой ОС). Аппаратные средства компьютера устаревают за несколько лет, а ОС может использоваться десятилетиями (например, ОС UNIX). Поэтому необходимо чтобы в ОС можно было легко внести изменения и дополнения, не нарушая ее целостности. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС. Взаимодействие модулей осуществляется только через функциональный интерфейс.
Принцип переносимости (мобильности). Код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Аппаратные платформы различаются не только типом процессора, но и архитектурой всего компьютера. переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, т. е. являются многоплатформенными.

Принцип надежности и отказоустойчивости. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких как дисковые массивы (RAID) или источники бесперебойного питания.
Принцип максимальной производительности. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, аппаратная платформа, на которой работает ОС.
Принцип обеспечения безопасности вычислений. Операционная система должна защищать данные от несанкционированного доступа, обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других пользователей.