Преимущества и недостатки архитектуры ОС с микроядром

Многослойная архитектура ОС

Продолжая структуризацию, можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними (многоуровневые системы (Layered systems)), так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1.

Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами в 1968 г. Эта система имела следующие уровни: интерфейс пользователя, управление вводом-выводом, драйвер устройств связи оператора и консоли, управление памятью, планирование задач и процессов, Hardware

Слоеные системы хорошо реализуются. При использовании операций нижнего слоя не нужно знать, как они реализованы, нужно лишь понимать, что они делают. Слоеные системы хорошо тестируются. Отладка начинается с нижнего слоя и проводится послойно. При возникновении ошибки мы можем быть уверены, что она находится в тестируемом слое. Слоеные системы хорошо модифицируются. При необходимости можно заменить лишь один слой, не трогая остальные. Но слоеные системы сложны для разработки: тяжело правильно определить порядок слоев и что к какому слою относится. Слоеные системы менее эффективны, чем монолитные. Так, например, для выполнения операций ввода-вывода программе пользователя придется последовательно проходить все слои от верхнего до нижнего.

ОС, основанные на концепции микроядра, во многом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью, и создают хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. Но, к сожалению, все эти достоинства ОС приобретает в ущерб производительности.

Микроядерной ОС присуща изолированность всего машинно-зависимого кода в микроядре, вследствие чего для переноса системы на новую аппаратную платформу требуется минимальное количество изменений, причём все они логически сгруппированы. Эта особенность ОС с микроядром является их несомненным достоинством.

Особенности архитектуры микроядерных ОС обеспечивают их высокую степень расширяемости по сравнению с другими ОС. Добавление очередной подсистемы требует только лишь разработки нового приложения и никоим образом не затрагивает целостность микроядра. Микроядерная структура позволяет не только увеличивать, но и сокращать число компонентов ОС, что также бывает необходимо.

При микроядерном подходе конфигурируемость не вызывает никаких проблем и не требует особых мер, достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить ненужные больше серверы в ходе работы обычными для остановки приложений средствами.

Использование микроядерной модели повышает надежность ОС. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов ОС, чего не наблюдается а традиционной ОС, где все модули ядра влияют друг на друга. И если отдельный сервер терпит крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальных серверов ОС. Другим потенциальным источником повышения надежности ОС является уменьшенный объем кода микроядра по сравнению с классическим ядром - это снижает вероятность появления ошибок программирования.

Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым, - взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями. Серверы микроядерной ОС могут работать как на одном, так и на разных компьютерах. При получении сообщения от приложения микроядро обработает его самостоятельно и передаст, локальному серверу или же перешлет его по сети микроядру, работающему на другом компьютере. Переход к распределенной обработке требует минимальных изменений в работе ОС - просто локальный транспорт заменяется на сетевой.

Все рассмотренные ранее свойства ОС с микроядерной архитектурой свидетельствовали о предпочтительности ее использования разработчиками. Однако, как уже говорилось, все эти качества приобретаются за счет снижения производительности ОС. Дело в том, что при классической организации ОС выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации - четырьмя.

Таким образом, ОС на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классическим ядром. Именно поэтому микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали.

Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов. Так, например, ядро операционной системы Linux представляет собой монолитную систему с элементами микроядерной архитектуры. При компиляции ядра можно разрешить динамическую загрузку и выгрузку очень многих компонентов ядра – так называемых модулей. В момент загрузки модуля его код загружается на уровне системы и связывается с остальной частью ядра. Внутри модуля могут использоваться любые экспортируемые ядром функции.

Дата добавления: 2014-12-07