Ядро в привилегированном режиме

Анализ и проверка домашней работы

Организационный момент.

Ход лекции.

Лекция №

Тема.. Ядро в привилегированном режиме. Ядро и вспомогательные модули.

Цель.

1. Учебная. Дать характеристику архитектуре операционной системы. Ввести понятие модулей операционной системы. Ввести понятие привилегированного режима.
2. Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.
3. Воспитательная. Воспитывать интерес к научным достижением и открытием.

Межпредметные связи:

· Обеспечивающие: информатика, математика.

· Обеспечиваемые: системное программирование, компьютерные сети.

Методическое обеспечение и оборудование:

1. Методическая разработка к занятию.

2. Учебный план.

3. Учебная программа

4. Рабочая программа.

5. Инструктаж по технике безопасности.

6. Кадоскопные карты.

7. Карточки с дифференцированными вопросами.

Технические средства обучения: кодоскоп, диапроэктор, персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

• Рабочие тетради
• Перечень дифференцированных вопросов.

3. Ответьте на вопросы:

1. Что такое драйвер?

2. Поясните определение операционной системы как расширенной машины?

3. В чем состоит отличие в виртуальных машинах, предоставляемых ОС простому пользователю и системному программисту?

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. Все усилия разработчиков операционной системы окажутся напрасными, если их решения воплощены в незащищенные от приложений модули системы, какими бы элегантными и эффективными эти решения ни были. 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) и приви­легированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная сис­тема или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения 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. 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. Например, инструкции ввода-вывода могут быть запрещены приложе­ниям при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и всех приложений, но разрешены при доступе к последовательному порту, который выделен в монопольное владение для определенного приложе­ния. 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.

Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разреша­ется, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному прило­жению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памя­ти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкция или инструкции кон­фигурирования механизмов защиты памяти (например, изменения ключей за­щиты памяти в мэйнфреймах IBM или указателя таблицы дескрипторов памяти в процессорах Pentium) разрешается выполнять только в привилегированном режиме.

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.

Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количест­вом уровней привилегий, поддерживаемых ОС, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, опера­ционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операцион­ные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двух­уровневой системой.

С другой стороны, если аппаратура поддерживает хотя бы два уровня привиле­гий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты.

Эта система может, например, поддерживать несколько уровней привилегий, обра­зующих иерархию. Наличие нескольких уровней привилегий позволяет более тонко распределять полномочия как между модулями операционной системы, так и между самими приложениями. Появление внутри операционной системы более привилегированных и менее привилегированных частей позволяет повы­сить устойчивость ОС к внутренним ошибкам программных кодов, так как такие ошибки будут распространяться только внутри модулей с определенным уров­нем привилегий. Дифференциация привилегий в среде прикладных модулей по­зволяет строить сложные прикладные комплексы, в которых часть более при­вилегированных модулей может, например, получать доступ к данным менее привилегированных модулей и управлять их выполнением.

На основе двух режимов привилегий процессора ОС может построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, примером которой является типич­ная система защиты файлов и каталогов. Такая система позволяет задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и ката­логов.

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. 3.4). Во всех типах процессоров из-за до­полнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены ре­жима. 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 NT.

В некоторых случаях разработчики ОС отступают от этого классического вари­анта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же ре­жиме. Так, известная специализированная операционная система NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/ Pentium как для работы ядра, так и для работы своих специфических приложе­ний — загружаемых модулей NLM (рис. 3.5). При таком построении ОС обра­щения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения ре­жимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Разра­ботчики NetWare пошли на такое потенциальное снижение надежности своей операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализирован­ных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения. В одном режиме работают также ядро и приложения тех операционных систем, которые разработаны для процессоров, вообще не поддерживающих привилеги­рованного режима работы. Наиболее популярным процессором такого типа был процессор Intel 8088/86, послуживший основой для персональных компьютеров

компании IBM. Операционная система MS-DOS, разработанная компанией Mic­rosoft для этих компьютеров, состояла из двух модулей msdos.sys и io.sys, состав­лявших ядро системы (хотя название «ядро» для этих модулей не употребля­лось, по своей сути они им являлись), к которым с системными вызовами обращались командный интерпретатор command.com, системные утилиты и при­ложения. Архитектура MS-DOS соответствует архитектуре ОС, приведенной на рис. 3.2. Некорректно написанные приложения вполне могли разрушить основ­ные модули MS-DOS, что иногда и происходило, но область использования MS-DOS (и многих подобных ей ранних операционных систем для персональных компьютеров, таких как MSX, СР/М) и не предъявляла высоких требований к надежности ОС.

ПРИМЕЧАНИЕ

Появление в более поздних версиях процессоров Intel (начиная с 80286) возможности ра­боты в привилегированном режиме не было использовано разработчиками MS-DOS. Эта ОС всегда работает на процессорах данного типа в так называемом реальном режиме, в ко­тором эмулируется процессор 8086/88. Не следует считать, что реальный режим является синонимом пользовательского режима, а привилегированный режим — его альтернативой. Реальный режим был реализован только для совместимости поздних моделей процессо­ров с ранней моделью 8086/88 и альтернативой ему является защищенный режим работы процессора, в котором становятся доступными все особенности процессоров поздних мо­делей, в том числе и работа на одном из четырех уровней привилегий.

Домашнее задание: § 7-8 конспект.

Закрепление материала:

Ответьте на вопросы:

1. Какие бывают режимы работы ядра операционной системы.

2. Что такое привелигерованный режим?

3. Можно ли анализируя двоичный код программы, сделать вывод о невозможности ее выполнения в пользовательском режиме.

4. Какие этапы включает разработка варианта мобильной ОС для новой аппаратнойплатформы.

Литература:

10. Богумирский Б. Энциклопедия Windows 98 (второе издание). — СПб.: Питер, 1999,896с.

11. Борланд Р. Знакомство с Windows 98. — М.: Microsoft Press Русская редакция,

12. 1997,376с.

13. Борланд Р. Эффективная работа с Word 97. - СПб.: Питер, 1998,960 с.

14. Коварт Р., Уотерс Б. Windows NT Server 4: Учебный курс. — СПб.: Питер, 1999, 448с.

15. Мэтьюз М. Windows 98: Книга ответов. - СПб.: Питер, 1999, 464 с.

16. Немнюгин С. Pascal: Учебный курс. — СПб.: Питер, 1999.

17. Новейший самоучитель работы на компьютере. Под ред. Симоновича С. — М.: Десс; Инфорком-Пресс, 1999,656 с.

18. Нортон П., Мюллер Дж. Windows 98: энциклопедия системных ресурсов. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1998,578 с.

Дата добавления: 2014-01-13