11. Архитектура ос. Ядро и вспомогательные модули.

Операционная система состоит из ядра и вспомогательных модулей.

Ядро выполняет: базовые функции ОС (управление процессами, памятью, устройствами ввода/вывода; функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, (переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний). Эти функции недоступны для приложений; функции для поддержки приложений, создающие для них прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами (системными вызовами) для выполнения тех или иных действий. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API. Для обеспечения высокой скорости работы все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными. Кроме того, одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, например, программы сжатия диска, архивирования и т.д.

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

программы дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры;

библиотеки процедур – библиотека математических функций, функций ввода/вывода и т.д.

12. Классическая архитектура ос. Монолитные и многослойные ос.

Монолитная структура ОС

Вся ОС работает как единая программа в режиме ядра. Монолитная ОС написана как набор процедур, связанных в одну большую исполняемую программу. Каждая процедура имеет возможность при необходимости вызвать другую.

Монолитные системы могут быть структурированными:

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры

Многоуровневые системы

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты из уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является аппаратура, верхним уровнем интерфейс пользователя. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Плюсы:

• Многоуровневые системы хорошо реализуются.

• Слоеные системы хорошо модифицируются.

Минусы:

• Многоуровневые системы сложны для разработки.

• Менее эффективны, чем монолитные.

13. Микроядерная архитектура ос.

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу по­строения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная организация ОС, в соот­ветствии с которой все основные функции операционной системы, составляю­щие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользователь­скими программами (становясь системными утилитами пли обрабатывающими программами). Каждое приложение пользовательского режима работает в собст­венном адресном пространстве и защищено тем самым от какого-либо вмеша­тельства других приложений. Код ядра, выполняемый в привилегированном ре­жиме, имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Приложения обращаются к ядру с запросами на выполнение сис­темных функций.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микро­ядром (рис. 1). Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также моду­ли, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением реги­стров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.