АРХИТЕКТУРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Материалы к лекции ОС-3.
Ядро и вспомогательные модули ОС
Все модули ОС разбивают на две группы:
· ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;
· модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.
Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, т.е. являются резидентными.
Модули ядра выполняют:
· базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п.
· функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие, как переключение контекстов, загрузка-выгрузка страниц, обработка прерываний (эти функции недоступны для приложений)
· функции, обеспечивающие поддержку приложений, создающие для них так называемую прикладную программную среду.
Вспомогательные модули ОС обычно разделяются на следующие группы:
· утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы (например, программы сжатия дисков)
· системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики,
· программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и др.)
· библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например, библиотека математических функций, функций ввода вывода и т.д.
Примечание. В большинстве классификаций к системному ПО относят только первую группу, вторую и третью – к инструментальному ПО, четвертую – к инструментальному или прикладному.
Как и обычные приложения, вспомогательные модули обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов. Модули-приложения обеспечивают легкую расширяемость ОС (внесение изменений в функции ядра гораздо сложнее).
Вспомогательные модули загружаются в память только на время выполнения своих функций, т.е. являются транзитными.
Ядро в привилегированном режиме.
Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы: пользовательский и привилегированный, или режим ядра (режим супервизора) (см. рис.)
Рис. 3.1. Архитектура ОС с ядром в привилегированном режиме
Привилегированный режим.
В пользовательском режиме запрещены команды, связанные с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройства ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.
Повышение устойчивости работы ОС, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет замедления выполнения системных вызовов.
В некоторых случаях разработчики ОС организую работу ядра и приложений в одном режиме. (например, ОС NetWare компании Novell).
Многослойная структура ОС.
Многослойную структуру обычно изображают в виде вложенных сферических окружностей. Трехслойная структура показана на рис. 3.2., многослойная на рис. 3.3.
Рис. 3.2. Трехслойная схема вычислительной системы
Ядро ОС также может иметь многослойную структуру. Взаимодействие между слоями осуществляется через межслойный интерфейс.
Интерфейс системных вызовов
Менеджеры ресурсов
Базовые механизмы ядра
Машинно-зависимые модули
Средства аппаратной поддержки ОС
Аппаратура
Рис. 3.3. Многослойная структура ядра ОС.
Средства аппаратной поддержки ОС – те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов:
· средства поддержки привилегированного режима
· средства трансляции адресов
· средства переключения процессов
· система прерываний
· системный таймер
· средства защиты областей памяти.
Машинно-зависимые компоненты ОС – программные модули, которые отражают специфику аппаратной платформы компьютера и экранируют вышележащие слои от особенностей аппаратуры.
Базовые механизмы ядра – этот слой выполняет наиболее примитивные функции ядра, такие как программное переключение контекстов процессов, диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диски обратно и т.п.
Менеджеры ресурсов – реализуют стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы (менеджеры процессов, ввода-вывода, файловой системы, оперативной памяти).
Интерфейс системных вызовов – самый верхний слой ядра, взаимодействующий непосредственно с приложениями и системными утилитами и образующий прикладной программный интерфейс ОС.