Свежие комментарии
Посещение сайта
Благодарность: Школа StartUp.
)

Архитектура Операционной системы

Архитектура Операционной системы

Перейдем к рассмотрению архитектуры операционной системы. Вспомним состав операционной системы, рассмотренный ранее в лекции «Понятие операционной системы«. Операционная система состоит из четырех основных частей:

  1. Первая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память один раз и находится в памяти резидентно – постоянно, по одним и тем же адресам. Ядро — командный интерпретатор, «переводчик» с программного языка на «железный», язык машинных кодов.
  2. Вторая часть Подсистема управления ресурсами (resource allocator) — управляет вычислительными ресурсами компьютера — оперативной и внешней памятью, процессором
  3. Третья часть — Управляющая программа (control program, supervisor) – управляет исполнением других программ и функционированием устройств ввода-вывода.(используются специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера. Драйвера «системные библиотеки»)
  4. Четвертая часть — удобная оболочка, с которой общается пользователь — интерфейс. Своего рода красивая обертка, в которую упаковано скучное и не интересное для пользователя ядро.

Перейдем к рассмотрению архитектуры операционной системы,  в частности архитектуры ее ядра.

Архитектура Операционной системы  — ЯДРО

Ядро – самый ключевой, основной компонент операционной системы, именно в нем реализуется большая часть функциональности ОС. Появились различные подходы к проектированию и реализации ядра ОС, а именно

  • Монолитное ядро
  • Поуровневый подход
  • Микроядро
  • Модули ядра

Монолитное ядро (все вместе)

Появилось исторически первым в ходе эволюции операционных систем. ОС используют большое монолитное ядро Монолит – все вместе, все библиотеки, сервисные функции в одном ядре. Монолитное ядро содержит следующие базовые элементы:

  • Планирование процессов
  • Управление файловой системой
  • Сетевое взаимодействие
  • Драйверы устройств
  • Управление памятью

Преимущества:

Производительность — в виду того, что количество переключений из контекста режима пользователя в режим ядра сведено к минимуму;

Недостатки: 

Неустойчивость к сбоям – так как все базовые элементы и их работа выполняются в режиме ядра, и если хотя бы в одном модуле или блоке ядра произойдет какой-либо сбой, то ему будет подвержена вся ОС(все ядро), вариантов других нет, закончится все – перезапуском ОС.

Монолитный подход — простейший Первые ОС были монолитными, в них:

  • Нет определенной структуры
  • Нет уровней
  • Нет разделения на модули

Определенной структуры данные операционной системы не имеют. Это большой набор сервисных функций. Нет деления на слои и модули. ОС были простыми и большими, так как все время дописывались, засчет этого сильно росли. Пример – классический MS-DOS

  • Больше функциональности, меньше места (в то время было очень маленькое адресное пространство)
  • Разделение на уровни не было, программы могли работать с оборудованием напрямую, могли сами вызывать нужные драйверы
Состав MS-DOS

Состав MS-DOS

Итак, мы выяснили, что простая неорганизованная структура это — плохо.

Возможно улучшение – операционная система разбивается на ряд уровней (слоев) – каждый следующий уровень базируется на предыдущем(вводится понятие иерархии уровней)

  • Самый нижний – аппаратное обеспечение
  • Самый верхний – интерфейс пользователя

Каждый уровень использует только функции (сервисы), предоставляемые нижестоящим уровнем.

 Все (или почти все уровни) работают в режиме ядра Примеры таких ОС – MULTICS, VAX\VMCИ

Простой поуровневый подход

Разбиение на уровни помогает разбить программирование операционной системы, становится легче программировать.

Поуровневый подход используется оригинальным ядром Unix:

  • Небольшое число монолитных слоев
  • Нет инкапсуляции, функции и сервисы, предоставляемые на разных уровнях доступны всей системе
  • По сути ядро – набор процедур, которые могут вызывать любые другие процедуры
  • Огромное количество функциональности в ядре (все что можно и нужно)

Современные ОС более четко разделены на уровни.

Ядро ОС Unix

Ядро ОС Unix

Поуровневый подход позволяет независимо работать, менять и отлаживать ОС.

Если уровни строго разделены:

  • + можно над ними независимо работать
  • + можно независимо заменять

Например, сетевой стек TCP/IP является примером строгого разделения на уровни (уровни все четко выверены и подробно описаны)

Сложности:

  • как определить эти слои (непростая задача)
  • разделение на уровни возможно только при наличии иерархии вызовов и отсутствии циклических зависимостей.

Циклические зависимости

Пример

Возьмем драйвер диска:

  • Драйверу устройства можно ожидать завершения выполнения операции вв/выв, это означает обращение к уровню планировщика времени ЦП.  Это вызов с верхнего слоя, а драйвер диска находится в самом низу на аппаратном уровне, это циклическая зависимость.
  • ЦП может вызвать драйвер устройства для выгрузки и подгрузки процессов.

Поэтому в этом случае данная архитектурная модель не работает

Чем больше таких уровней, тем больше возникает проблемных ситуаций.

Выход – отход от строгой поуровневой модели и возврат к небольшому числу слоев с большой функциональностью.

Дальнейшим этапом развития придумали МИКРОЯДРО.

МИКРОЯДРО

Микроядроядро, содержащее только самые необходимые функции.

Идея: минимизировать само ядро, вынести как можно функциональности в режим пользователя (т.е. исполнять эту функциональность в виде обычных процессов).

Многие сервисы становятся пользовательскими процессами:

  • Драйверы устройств,
  • Файловые системы,
  • Менеджер виртуальной памяти,
  • Оконные системы графического интерфейса пользователя,
  • Службы безопасности

Данный подход популяризован ядром MACH («МАК»)

На основе MACH сделаны, среди прочих, Mac OSX (комп.Apple), GNUHurd.

Структура микроядра

Компоненты ОС, являющиеся внешними к микроядру реализуются в виде серверных процессов. Взаимодействие с ними осуществляется через обмен сообщениями, а не путем системных вызовов.

Микроядро основывается на механизме обмена сообщениями:

  • проверяет корректность сообщений
  • передает их между компонентами
  • проверяет, разрешен ли обмен сообщениями

Предоставляет доступ к оборудованию

Фактически реализует клиент-серверную архитектуру на одном компьютере.

Преимущества микроядра

  • Унифицированные интерфейсы – процессы могут обмениваться сообщениями, нет разницы между режимом пользователя и режимом ядра, все сервисы предоставляются через обмен сообщениями в клиент-серверной архитектуре. Например, запросы могут обрабатываться на удаленные машины.
  • Расширяемость – легче расширить, новые сервисы добавляются как расширяется функциональность программы
  • Портируемость(переносимость) – на новое оборудование нужно перенести микроядро.
  • Надежность, безопасность – меньше кода выполняется в режиме ядра, ошибки программ в режиме пользователя не влияют на остальную часть системы.

Недостатки микроядра

  • Больше расходов на взаимодействие между системными сервисами.
  • Каждое взаимодействие требует переключения режимов. Переходы из режима пользователя в режим ядра и обратно. Механизм передачи сообщений требует очень частого переключения контекста. Режим ядра – режим пользователя, они “съедают” значительную часть мощности ЦП.
  • Системные сервисы, работающие в режиме пользователя – это процессы, ОС нужно их планировать( Диспетчеризация).

Решение 1: реинтеграция таких сервисов обратно в ядро (интегрировать некоторые сервисы в ядро и “убрать” переключения

  • Улучшается производительность(меньше переключений, одно адресное пространство)
  • Такое ядро было сделано в ядре Mach

Решение 2: сделать ядро еще меньше – экспериментальные архитектуры (нано-ядра, пико-ядра).

Минимальная функциональность в микроядре

1) Низкоуровневое управление памятью
   -Отображение страниц на физическую память

— Все остальные механизмы предоставляются сервисами, работающими в режиме пользователя

  • Защита адресного пространства
  • Механизмы замещения страниц
  • Управление виртуальной памятью

2) Межпроцессорное взаимодействие

3)Ввод/вывод и обработка прерываний.

Модули ядра

Технология «модули ядра» развивались параллельно вместе с микроядром.

Модуль – нечто среднее между поуровневой архитектурой и микроядром.

Удобно для разработки (каждый может разрабатывать свой модуль без необходимости трогать основную систему).

  • Модули находятся в режиме ядра (уменьшаются затраты на взаимодействие модулей между собой)
  • Компромисс ради производительности.
  • Под разные задачи необходимо выбирать ОС

Если ОС должна быть высоко устойчива к сбоям, тогда выбираем соответствующую ОС этим задачам. Если для нормальных задач, то подойдет и Linux.

Многие ОС реализуют поддержку модульности

Пример – ОС Linux. Классифицируют как монолитное ядро.

  • Каждый ключевой компонент – отдельный модуль
  • Взаимодействие происходит через определенные интерфейсы
  • Загружаются модули по требованию

Можно самому компилировать ядро Linux, выбирать нужные модули, решать какие модули войдут в ядро, а какие нет — т.е. компоновать ядро согласно своих требований, что позволяет получать преимущество – гибкость операционной системы.

 Операционная система Linux

Линус Бенедикт Торвальдс

Линус Бенедикт Торвальдс

Торговая марка Linux зарегистрирована на Линуса Торвальдса.
Linux, произносится «линукс» .

Создатель Linux — Линус Бенедикт Торвальдс родился 28 декабря 1969 в Хельсинки — финский программист. Воодушевлённый прочтением книги Эндрю Таненбаума, посвящённой операционной системе Minix, Линус создал Linux — ядро операционной системы GNU/Linux, являющейся на данный момент самой распространённой из свободных операционных систем.

Уникальность данной ОС – открытый исходный код, он разрабатывается сообществом, поэтому данная ОС работает на очень многих существующих платформах (архитектуры процессора таких как Intel x86, x86-64, PowerPC, ARM, Alpha AXP, Sun SPARC, Motorola 68000, Hitachi SuperH, IBM S/390, MIPS, HP PA-RISC, AXIS CRIS, Renesas M32R, Atmel AVR32, Renesas H8/300, NEC V850, Tensilica Xtensa и многих других).

Linux

визитка Linux

В отличие от большинства других операционных систем, Linux не имеет единой «официальной» комплектации. Вместо этого Linux поставляется в большом количестве так называемых дистрибутивов, в которых ядро Linux соединяется с утилитами GNU и другими прикладными программами (например, X.org), делающими её полноценной многофункциональной операционной средой.

Сам разработчик сегодня заявляет, что ядро ОС стало настолько большим, что его уже трудно поддерживать, оно недостаточно структурировано.

 

Операционная система Windows NT

Уникальная операционная система с точки зрения архитектуры. В ней есть все: послойность, модульность и микроядро (используется гибридное ядро).

Уникальная система и с точки зрения теории – гениально структурированное ядро ОС. В структуре спокойно разберется один человек.

В ядре сосредоточены ключевые компоненты, а то, что можно было вынести без потери производительности – вынесено в режим пользователя.

На основе этого ядра сделаны Windows 2000/XP/7/8/

Windows NT первоначально работала на 5 платформах.

В дальнейшем мы будем рассматривать данную операционную систему более подробно.

Состав ОС Windows NT

Состав ОС Windows NT

Критерии выбора операционной системы

Монолит – если есть разбиение на уровни, модули, но большей частью все компоненты выполняются в режиме ядра, этот монолит обычно раструктурированный.

Микроядро – если есть механизм обмена сообщениями и он является ключевым для организации взаимодействия компонентов ядра, сделано по клиент-серверной архитектуре. Его части выполняются в режиме пользователя. Такая ОС устойчива к сбоям.

Перейдем к рассмотрению еще одной важной части архитектуры современных операционных систем — наличие виртуальных машин (виртуализация), а также рассмотрим другие особенности ОС.

Скачать презентацию » Архитектура операционной системы «

 

Скачать тест по теме » Архитектура операционной системы «

 

 

Понравилась статья, рекомендуйте Вашим друзьям!

Давайте дружить!

1 комментарий к записи “Архитектура Операционной системы”

  • Дима:

    Очень понравилась статья, большое спасибо!

Оставить комментарий