Многослойная архитектура ОС

КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ОС

АРХИТЕКТУРА ОС

Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделяться на части — модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия.

Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей.

Обычно в состав ОС входят:

- исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов,

- библиотеки разных типов,

- модули исходного текста программ,

- программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода),

- конфигурационные файлы,

- файлы документации,

- модули справочной системы и т. д.

Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.

Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение всех ее модулей на две группы:

1. Ядро — модули, выполняющие основные функции ОС;

2. Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

1. Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС (как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п.). Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как:

- переключение контекстов,

- загрузка/вы­грузка станиц,

- обработка прерываний и т.д.

Эти функции недоступны для приложе­ний. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут об­ращаться к ядру с запросами — системными вызовами — для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графиче­ской информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс приклад­ного программирования — API (Application Programming Interface).

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемы­ми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения опре­деляет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находят­ся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютер­ной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в ре­зультате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специально­го формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.

2. Вспомогательные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных, дефрагментации диска, текстовые и графические редакторы и т.д. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то час­то бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями (рис. 8).

Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принима­ет производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это реше­ние, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

- утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивация данных на магнитную ленту;

- системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

- программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры и т.д.

- библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например, библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т.д.

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям системного ядра посредством системных вызовов (рис.9).

Разделение операционной системы на ядро и модули-приложения обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать ответственные функции, образующие ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации самого ядра. В некоторых случаях каждое исправление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время вы­полнения своих функций, то есть являются транзитными. Постоянно в опера­тивной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляю­щие ее ядро.

Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная сис­тема должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов.

Операционная система должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешни­ми устройствами.

Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы:

— пользовательский режим (user mode)

— приви­легированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode).

Пользовательский режим - наименее привилегированный режим, поддерживаемый ОС. Он не имеет прямого доступа к оборудованию и у него ограниченный доступ к памяти.

Режим ядра - привилегированный режим. Те части ОС, которые исполняются в режиме ядра, такие как драйверы устройств и подсистемы типа Диспетчера Виртуальной Памяти, имеют прямой доступ ко всей аппаратуре и памяти.

Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложе­нии — в пользовательском режиме.

Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме (рис. 10). Иногда это свойство — работа в привилегированном режиме — служит основным определением понятия "ядро".

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается, безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях.

Важно, что условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС и этот контроль обеспечивается за счет набора инструкций, безусловно, запрещенных для пользовательского режима.

Таким образом, важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.

Большинство архитектур процессоров обеспечивают, по крайней мере, два аппаратных уровня привилегий. Аппаратный уровень привилегий процессора определяет возможное множество инструкций, которые может вызывать исполняемый в данный момент процессором код.

Хотя понятия "режим пользователя" и "режим ядра" часто используются для описания кода, на самом деле это уровни привилегий, ассоциированные с процессором. Уровень привилегий накладывает три типа ограничений:

1) возможность выполнения привилегированных команд,

2) запрет обращения к данным с более высоким уровнем привилегий,

3) запрет передачи управления коду с уровнем привилегий, не равным уровню привилегий вызывающего кода.

Защищенный режим является основным и наиболее естественным режимом работы 32-разрядных процессоров. Этот режим был в полной мере реализован в процессорах серии i386 и с тех пор существенных изменений не претерпел.

Защищенный режим 32-разрядных процессоров реализует поддержку следующих механизмов:

Организация памяти, при которой используются два механизма преобразования памяти: сегментация и разбиение на страницы.

Четырехуровневая система защиты пространства памяти и ввода/вывода.

Переключение задач.

1. Сегмент - это блок пространства памяти определенного назначения, внутри которого применяется линейная адресация. Максимальный размер сегмента при 32-разрядной адресации составляет 4 Гб (2³² байт). Максимальное число таких сегментов равно 2¹³ (8192). Сегмент может иметь произвольную длину в допустимых границах.

Каждый сегмент характеризуется 8-байтной структурой данных – дескриптором сегмента, в котором, в числе прочего указаны:

- права доступа, которые определяют возможность чтения, записи и исполнении сегмента.

- уровень привилегий (относится к четырехуровневой системе защиты).

На сегментации основана защита памяти. При этом не допускается:

- использовать сегменты не по назначению (нарушение прав доступа);

- обращаться к сегменту, не имея достаточных привилегий;

- адресоваться к элементам, выходящим за границы сегмента.

Страничная организация памяти позволяет использовать большее пространство памяти. При этом базовым объектом памяти служит блок фиксированного размера – страница – 4 Кб.

Физический адрес памяти, получаемый на выходе сегментного и страничного преобразования памяти, является 32-разрядным, позволяя адресовать, таким образом, до 4 Гб реально доступной физической памяти.

Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной сис­темой не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для за­щиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от осталь­ных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и операционную систему.

2. Четырехуровневая система привилегий предназначена для управления использованием привилегированных инструкций, а также для защиты пространства памяти и ввода/вывода.

Уровни привилегий нумеруются от 0 до 3.

Нулевой уровень соответствует максимальным (неограниченным) возможностям доступа и отводится для ядра ОС.

Уровень 3 имеет самые ограниченные права и обычно предоставляется прикладным пользовательским приложениям.

Систему защиты обычно изображают в виде колец, соответствующих уровням привилегий, а сами уровни привилегий иногда называют кольцами защиты. ОС Windows XP использует два кольца защиты — 0 и 3, имея соответственно режим работы в 0 кольце - kernel mode, в 3 кольце - user mode.

В зависимости от уровня привилегий осуществляется защита по доступу к привилегированным командам, по доступу к данным с более высоким уровнем привилегий и по передаче управления коду с уровнем привилегий, отличным от текущего уровня.

Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привиле­гированный, а при возврате к приложению — переключение из привилегирован­ного режима в пользовательский (рис. 11). Во всех типах процессоров из-за до­полнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены ре­жима.

3. Защищенный режим предоставляет средства переключения задач. Состояние каждой задачи (значения всех связанных с ней регистров процессора) может быть сохранено в специальном сегменте состояния задачи. Там же хранится карта разрешения ввода/вывода, указывающая для каждого из 64К адресов портов ввода/вывода возможность обращения к нему.

Таким образом, архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала, по существу, классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2, и с определенными модификациями — Windows.

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположен­ных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный - ядро, а утили­ты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой систе­мы (рис.12). Слоистую структуру вычислительной системы принято изобра­жать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями.

Действи­тельно, при такой организации ОС многослойный подход является универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа, в том числе и программных.

В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции — более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя. Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому моду­лю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра.

Ядро может состоять из следующих слоев (рис.13):

1. Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но, вообще говоря, часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэтому иногда можно встретить определение операционной системы как совокупности программ­ных и аппаратных средств, что и отражено на рис.6. К операционной систе­ме относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства аппаратной поддержки ОС, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегиро­ванного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т.п. Примером этого слоя может служить слой Hardware Abstraction Layer (HAL) операционной сис­темы Windows.

2. Машинно-зависимые компоненты ОС. Этот слой образуют программные мо­дули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от осо­бенностей аппаратуры. Это позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном эк­земпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной ОС.

3. Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные опера­ции ядра, такие как программное переключение контекстов процессов, дис­петчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обрат­но и т. п. Модули данного слоя не принимают решений о распределении ресурсов — они только отрабатывают принятые "наверху" решения, что и дает повод называть их исполнительными механизмами для модулей верхних слоев. Например, решение о том, что в данный момент нужно прервать вы­полнение текущего процесса А и начать выполнение процесса В, принимает­ся менеджером процессов на вышележащем слое, а слою базовых механизмов передается только директива о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса В.

4. Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных моду­лей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурса­ми вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (называемые также диспетчерами) процессов, ввода-вывода, файловой систе­мы, оперативной памяти и т.д. Разбиение на менеджеры может быть и несколько иным, например, менеджер файловой системы иногда объединяют с менедже­ром ввода-вывода, а функции управления доступом пользователей к системе в целом и ее отдельным объектам поручают отдельному менеджеру безопас­ности. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресур­сов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с за­просами приложений. Например, менеджер виртуальной памяти управляет перемещением страниц из оперативной памяти на диск и обратно. Менеджер должен отслеживать интенсивность обращений к страницам, время пребыва­ния их в памяти, состояния процессов, использующих данные, и многие дру­гие параметры, на основании которых он время от времени принимает реше­ния о том, какие страницы необходимо выгрузить и какие — загрузить. Для исполнения принятых решений менеджер обращается к нижележащему слою базовых механизмов с запросами о загрузке (выгрузке) конкретных страниц. Внутри слоя менеджеров существуют тесные взаимные связи, отражающие тот факт, что для выполнения процессу нужен доступ одновременно к нескольким ресурсам — процессору, области памяти, возможно, к определенному файлу или устройству ввода-вывода. Например, при создании процесс менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить процессу определенную область памяти для его кодов и данных.

5. Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения. Для осуществления таких комплексных действий системные вызовы обычно обращаются за помощью к функциям слоя менеджеров ресурсов, причем для выполнения одного системного вызова может понадобиться несколько та­ких обращений.

Реально, приведенное разбиение ядра ОС на слои является достаточно условным. В современных ОС сложно четко разграничить принадлежность того или иного модуля к конкретному слою.

Дата добавления: 2014-01-20