2. Ядро системи. Привілейований режим і режим користувача

Базові компоненти ОС, що відповідають за найважливіші її функції, перебувають у пам'яті постійно і виконуються у привілейованому режимі, називають ядром операційної системи (operating system kernel).

Найважливіші функції ОС, що виконуються у ядрі: обробка переривань, керування пам'яттю, керування введенням-виведенням. До надійності та продуктивності ядра висувають підвищені вимоги. Основною характерною ознакою ядра є те, що воно виконується у привілейованому режимі.

ОС має привілеї над ПП щодо керування ресурсами. ПП не втручаються в роботу ОС, а ОС втручається в роботу будь-якої ПП. (перемикання процесора CPU, боротьба за ресурси). Для реалізації таких привілеїв потрібна апаратна підтримка: CPU підтримує два режими роботи — привілейований (захищений , kernel mode) і режим користувача (user mode). У режимі користувача недопустимі команди, які є критичними для роботи системи (перемикання задач, звертання до пам'яті за заданими межами, доступ до пристроїв введення-виведення тощо).

Ядро перемикає CPU у привілейований режим і отримує цілковитий контроль над ПК. Кожна ПП завантажується і виконується в режимі користувача, де воно не має доступу до ресурсів

ядра й інших програм. Для виконання дії. що реалізовано у ядрі, потрібно робити системний виклик (system call). Ядро перехоплює його, перемикає процесор у привілейований режим, виконує дію, перемикає процесор назад у режим користувача і повертає результат.

Системний виклик виконується повільніше за виклик функції, реалізованої в режимі користувача, через те що процесор двічі перемикається між режимами. Для підвищення продуктивності в деяких ОС частина функціональності реалізована в режимі користувача, тому для доступу до неї системні виклики використовувати не потрібно.

Окрім ядра є системне програмне забезпечення, що застосовується у режимі користувача, до нього належить:

• системні програми (утиліти);

• системні бібліотеки;

Це програмне забезпечення ПЗ може розроблятись, та постачатись окремо від ОС.

2. Реалізація архітектури операційних систем

1. Монолітні системи - усі базові функції сконцентровані в ядрі. ОС стає продуктивнішою (CHU не перемикається між режимами), але менш надійною (весь її код виконується у привілейованому режимі, і помилка в кожному з компонентів є критичною).

ОС лають можливість динамічно розмішувати в адресному просторі ядра фрагменти : ~ " :• ~срс: Існує можливість додавати до ОС нових модулів ядра.

2. Багаторівневі системи — компоненти ОС утворюють ієрархію рівнів (шарів, layers), кожен з яких спирається на функції попереднього рівня. Найнижчий рівень безпосередньо взаємодіє з апаратним забезпеченням, на найвищому рівні реалізуються системні виклики. Перехід між рівнями здійснюється за допомогою системних викликів. Дуже низька продуктивність.

3. Системи з мікро ядром - частина функцій ядра реалізована (мікроядро, microkernel) реалізована у привілейованому режимі.

критичною).

Один

із

напрямів розвитку

Режим користувача _часхка функцій ядра, які Режим ядра є мікроядром (

сучасних ОС полягає в тому, що у

привілейоване • режимі реалізована невелика

microkernel). Інші

Повернення в прикладну програму

Мікроядро

Рис. 2.Виконання системного виклику в архітектурі з мікроядром

5

функції ОС виконуються

процесами режиму користувача (серверними процесами, серверами). Сервери можуть відповідати за підтримку файлової систем за роботу із процесами, пам'яттю тощо.

Мікроядро здійснює зв'язок між компонентами системи і виконує базовий розподіл ресурсів. Щоб виконати системний виклик, процес (юіієнтський процес, клієнт) звертається до мікроядра. Воно посіпає серверу запит, сервер виконує роботу і пересилає відповідь назад, а мікроядро переправляє його клієнтові^; рис. 2). Клієнтами можуть бути не лише процеси користувача, а й інші модулі ОС.

Перевагами мікроялрового підходу є:

• невеликі розміри мікроядра. шо спрощує його розробку й налагодження;

• п надійність системи, внаслідок того що сервери працюють у режимі корист>"вача й у них г и,: г: а:: ддд д: іднг ітного забезпечення:

• Гдьдд гнучідггь : эсяширювашсп» системи (непотрібні компоненти не займають місця в - - , —_ т»: • і ;дднд эезпьиосх: систем зводиться до додавання в неї нового сервера);

• м:жнин:гтн ідідтіді: до ;.люв мережі (спосіб обмін}" даними між клієнтом і сервером не

~ :- д т: г: :з сані вени мережею чи перебувають на одному комп'ютері).

Г:л:еним зед одінем ?.±даядгового підходу є зниження про лу тсіивності. Замість двох и [и мій іИііі ргжішу процесора у разі системного виклику відбувається чотири (два — під час обміну між клієнтом і мїкроядром, два - між сервером та мікроядром).

Цей недолік є, швидше, теоретичним, на практиці продуктивність і надійність мікроядра залежать насамперед від якості його реалізації. Так, в ОС (^ИХ мікроядро займає кілька кілобайтів пам'яті й забезпечує мінімальний набір функцій, при цьому система за продуктивністю відповідає ОС реального часу.