1. Архитектура и структура операционных систем: Основные принципы построения операционных систем.

Принцип модульности

Модуль - функционально законченный элемент системы, отвечающий тре­бованиям межмодульного интерфейса. Из определения следует, что один модуль можно заменить на другой. Способы обособления отдельных частей ОС могут различаться, но чаще всего разделение происходит по функциональному принципу.

Особенно важное значение при построении ОС имеют модули, позволяющие более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы:

• привилегированные;

• повторно входимые;

• реентерабельные.

В некоторых ОС реентерабельность достигается автоматически:

• при неизменяемости кодовых частей программы при исполнении;

• при автоматическом распределении регистров;

• при автоматическом отделении кодовых частей программ от данных и помещении данных в системную область памяти.

Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства ОС. Наибольший эффект достигается при распространении принципа модульности на ОС, прикладные программы и аппаратуру.

Принцип функциональной избирательности

Часть модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса, называется ядром ОС. При формировании состава ядра следует учитывать два противоречивых требования:

• в состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули;

• количество модулей должно быть таковым, чтобы объемпамяти, занимаемый ядром, не был слишком большим.

В состав ядра входят, как правило, следующие модули:

• модули по управлению системой прерываний;

• средства по переводу программ из состояния выполнения в состояние ожидания, готовности и обратно;

• средства по распределению основных ресурсов: оперативной памяти и процессор­ного времени.

Транзитные программные модули загружаются в память только при необходи­мости и в случае отсутствия свободного дискового пространства могут быть замещена другими транзитными модулями.

Принцип генерируемости ОС

Принцип генерируемости - возможность настраивать системную супервизорную часть (ядро и основные компоненты), исходя из конкретной конфигурации вычисли тельного комплекса и класса решаемых задач. Процедура генерации производится с помощью программы-генератора и языка описания входных данных для этой программы. В результате генерации получается полная версия ОС - совокупность системных наборов модулей и данных.

Принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. Принцип генерируемости реализован в ОС, типа UNIX.

Принцип функциональной избыточности. Этот принцип дает возможность проведения одной и той же работы различными спосо­бами. В состав ОС может входить:

• несколько типовпланировщиков (модулей супервизора, управляющих тем или иным видом ресурсов);

• различные средства организации связи между вычислительными процессами.

Это дает возможность пользователям:

• быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы;

• обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач;

• получить максимальную производительность при решении заданного класса задач.

Принцип виртуализации

Построение виртуальных ресурсов, их распределение и использование в настоящее время имеет место почти в каждой ОС. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

Понятие виртуальная машина является итогом концепции виртуальности. Любая ОС, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их абстракциями. Пользователь видит виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать его программы и команды. Пользова­теля не интересует реальная конфигурация вычислительной системы и способы управления ее компонентами. Он оперирует с теми ресурсами, которые ему предоставлены в рамках виртуальной машины.

Принцип независимости программ от внешних устройств

Этот принцип в настоящее время реализуется в подавляющем большинстве современных ОС общего назначения. Принцип независимости заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программ, а в период планирования ее исполнения. При работе с новым устройством для хранения данных перекомпиляция не требуется.

Принцип независимости позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами независимо от конкретных физических характеристик. Смена носителя и данных, размещенных на нем, не принесет каких-либо изменений в програм­му, если в системе реализован принцип независимости.

Принцип совместимости

Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные:

• для других ОС;

• для более paнних версий данной операционной системы;

• для другой аппаратной платформы.

Совместимость подразделяется на два аспекта:

• двоичная совместимость;

• совместимость на уровне исходных текстов приложений.

Необходимо перекомпилировать имеющиеся исходные тексты в новый выполняемый модуль.

Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Использование стандарта POSIX позволяет создавать программы в стиле UNIX, которые могут легко переноситься из од­ной ОС в другую.

Принцип открытой и наращиваемой ОС

Открытая ОС доступна дня анализа как системным специалистам, обслуживаю­щим вычислительную систему, так и пользователям. Наращиваемая ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в состав ОС новые модули, со­вершенствовать старые и т.д.

Этот принцип требует, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения в ОС, если потребуется, и не нарушить целостность ОС.

Принцип модульности (переносимости)

Операционная система должна относительно легко переноситься:

• с процессора одного типа па процессор другого типа;

• с аппаратной платформы (архитектуры вычислительной системы) одного типа на аппаратную платформу другого типа.

Принцип переносимости близок принципу совместимости, но это не одно и то же. Написание переносимой ОС, как и любой переносимой программы, должно сле­довать определенным правилам:

1. Большая часть операционной системы должна быть написана на языке, который имеется во всех вычислительных системах, па которые планируется в дальнейшем ее пе­реносить. Это должен быть стандартизованный язык высокого уровня, например, язык С. Программы, написанные на Ассемблере, в общем случае не являются переносимыми.

2. Минимизировать или исключить ту часть кода, которая непосредственно взаимо­действует с аппаратурой. Если аппаратный код не может быть исключен, он должен быть изолирован в нескольких модулях.

Принцип обеспечения безопасности вычислений

Обеспечение безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определя­ют следующие свойства:

- защита ресурсов одного пользователя от других;

- установка квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов.