лекции СПО

микроядерной опер ционной системы соответствует известной модели клиент-

сервер, в которой роль тр нспортных средств выполняет микроядро.

Рис. 3.11. Ре лиз ция системно о вызов в микроядерной рхитектуре

4.5.2 Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры

Опер ционные системы, основ нные н концепции микроядр , в

высокой степени удовлетворяют ольшинству тре ов ний, предъявляемых к

современным ОС, о л д я переносимостью, р сширяемостью, н дежностью и созд в я хорошие предпосылки для поддержки р спределенных приложений.

З эти достоинств	приходится пл тить снижением производительности, и это
является основным недост тком микроядерной рхитектуры.
Высок я степень переносимости о		условлен	тем, что весь м шинно-
з висимый код изолиров н в микроядре,		поэтому для перенос		системы н
новый процессор	тре уется меньше изменений		и все они	ло ически

сруппиров ны вместе.

Рсширяемость присущ микроядерной ОС в очень высокой степени. В

тр диционных систем х д же при н личии мно ослойной структуры неле ко уд лить один слой и поменять е о н дру ой по причине множественности и р змытости интерфейсов между слоями. До вление новых функций и изменение существующих тре ует хороше о зн ния опер ционной системы и

ольших з тр т времени. В то же время о р ниченный н ор четко

определенных интерфейсов микроядр открыв ет путь к упорядоченному росту

и эволюции ОС. До вление новой подсистемы тре ует р зр					отки ново о
приложения, что ник к не з тр		ив ет целостность микроядр .			Микроядерн я
структур	позволяет не только до		влять, но и сокр щ ть число компонентов
опер ционной системы, что т кже			ыв ет очень полезно. Н пример, не всем
пользов телям нужны средств		езоп сности или поддержки р спределенных
вычислений, уд ление их из тр диционно о ядр				ч ще все о невозможно.
О ычно	тр диционные опер ционные системы			позволяют	дин мически

до влять в ядро или уд лять из ядр только		др йверы внешних устройств —
ввиду ч стых изменений в конфи ур ции		подключенных к компьютеру
внешних устройств подсистем ввод -вывод ядр			допуск ет з	рузку	и
вы рузку др йверов «н	ходу», но для это о он		р зр тыв ется	осо ым
о р зом (н пример, сред	STREAMS в UNIX или менеджер ввод -вывод				в

Windows NT). При микроядерном подходе конфи урируемость ОС не вызыв ет ник ких про лем и не тре ует осо ых мер — дост точно изменить ф йл с н стройк ми н ч льной конфи ур ции системы или же ост новить не нужные

ольше серверы в	ходе р оты о ычными	для ост новки приложений
средств ми.
спользов ние	микроядерной модели	повыш ет н дежность ОС.

К ждый сервер выполняется в виде отдельно о процесс в своей со ственной о л сти п мяти и т ким о р зом з щищен от дру их серверов опер ционной

системы, что не н люд ется в тр диционной ОС, де все модули ядр мо ут влиять дру н дру . если отдельный сервер терпит кр х, то он может ыть перез пущен ез ост нов или повреждения ост льных серверов ОС. Более

то о, поскольку серверы выполняются в пользов тельском режиме, они не

имеют непосредственно о доступ	к пп р туре и не мо ут модифициров ть
п мять, в которой хр нится и р	от ет микроядро. Дру им потенци льным

источником повышения н дежности ОС является уменьшенный о ъем код

микроядр по ср внению с тр диционным ядром — это сниж ет вероятность

появления оши ок про р ммиров ния.

Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки р спределенных

вычислений, т к к к	использует	мех низмы,	н ло ичные	сетевым:
вз имодействие клиентов	и серверов путем о мен		соо щениями.	Серверы
микроядерной ОС мо ут р	от ть к к н	одном, т к и н р зных компьютер х.

В этом случ е при получении соо щения от приложения микроядро может

о р от ть

е о

с мостоятельно

и

перед ть

лок льному серверу

или

же

пересл ть по сети микроядру, р

от ющему н

дру ом компьютере. Переход к

р спределенной

о р

отке тре ует миним льных

изменений

в

р

оте

опер ционной системы — просто лок льный тр нспорт з меняется н

сетевой.

Производительность. При кл ссической ор

низ ции ОС (рис. 3.12, )

выполнение

системно о вызов

сопровожд ется

двумя

переключениями

режимов,

при микроядерной ор

низ ции (рис. 3.12, 6) — четырьмя. Т ким

о р зом, опер ционн я

систем

н

основе микроядр

при

прочих

р вных

условиях все д

удет менее производительной, чем ОС с кл ссическим ядром.

менно по этой причине микроядерный подход не получил т ко о широко о р спростр нения, которое ему предрек ли.

Рис. 3.12. Смен режимов при выполнении системно о вызов

Серьезность это о недост тк хорошо иллюстрирует история р звития

Windows NT. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, р фическ я и лиотек и

высокоуровневые др йверы р фических устройств входили в сост в сервер

пользов тельско о режим , и вызов функций этих модулей осуществлялся в

соответствии с микроядерной схемой. Одн ко очень скоро р зр отчики

Windows NT поняли, что т кой мех низм о р щений к ч сто используемым

функциям р фическо о интерфейс существенно з медляет р оту

приложений и дел ет д нную опер ционную систему уязвимой в условиях

острой конкуренции. В результ те в версию Windows NT 4.0 ыли внесены

существенные изменения — все перечисленные выше модули ыли перенесены в ядро, что отд лило эту ОС от иде льной микроядерной рхитектуры, но з то

резко повысило ее производительность.

Этот пример иллюстрирует л вную про лему, с которой ст лкив ются

р зр отчики опер ционной системы, решившие применить микроядерный подход, — что включ ть в микроядро, что выносить в пользов тельское

простр нство. В иде льном случ е микроядро может состоять только из средств

перед чи соо щений, средств вз имодействия с		пп р турой,	в том числе
средств доступ	к мех низм м привиле иров нной з щиты. Одн ко мно ие
р зр отчики не	все д жестко придержив ются	принцип	минимиз ции

функций ядр , ч сто жертвуя этим р ди повышения производительности. В

результ те ре лиз ции ОС	о р зуют некоторый спектр, н одном	кр ю
которо о н ходятся системы	с миним льно возможным микроядром,	н

дру ом — системы, подо ные Windows NT, в которых микроядро выполняет дост точно ольшой о ъем функций.

4.6 Выводы

Простейш я структуриз ция ОС состоит в р зделении всех компонентов ОС н модули, выполняющие основные функции ОС (ядро), и

модули, выполняющие вспомо тельные функции ОС. Вспомо тельные модули ОС оформляются ли о в виде приложений (утилиты и системные

о р тыв ющие про р ммы), ли о в виде и лиотек процедур.

Вспомо тельные модули з руж ются в опер тивную п мять только н время

выполнения своих функций, то есть являются тр нзитными. Модули ядр постоянно н ходятся в опер тивной п мяти, то есть являются резидентными.

При	н личии пп р тной поддержки режимов с		р зными уровнями
полномочий	устойчивость ОС может ыть	повышен	путем выполнения
функций ядр	в привиле иров нном режиме,	вспомо тельных модулей ОС и

приложений — в пользов тельском. Это д ет возможность з щитить коды и д нные ОС и приложений от нес нкциониров нно о доступ . ОС может выступ ть в роли р итр в спор х приложений з ресурсы.

Ядро, являясь структурным элементом ОС, в свою очередь, может ыть ло ически р зложено н следующие слои (н чин я с с мо о нижне о):

м шинно-з висимые компоненты ОС;

зовые мех низмы ядр ;

менеджеры ресурсов;

интерфейс системных вызовов.

Вмно ослойной системе к ждый слой о служив ет вышележ щий слой, выполняя для не о некоторый н ор функций, которые о р зуют межслойный интерфейс. Н основе функций нижележ ще о слоя следующий вверх по иер рхии слой строит свои функции — олее сложные и олее мощные, которые, в свою очередь, ок зыв ются примитив ми для созд ния еще

олее мощных функций вышележ ще о слоя. Мно ослойн я ор низ ция ОС

существенно упрощ ет р зр отку и модерниз цию системы.

Лю я ОС для решения своих з д ч вз имодействует с пп р тными

средств ми компьютер , именно: средств ми поддержки привиле иров нно о

режим и тр нсляции дресов, средств ми переключения процессов и з щиты

о л стей п мяти, системой прерыв ний и системным т ймером. Это дел ет ОС

м шинно-з висимой, привяз нной к определенной пп р тной пл тформе.

Микроядерн я рхитектур является льтерн тивой кл ссическому спосо у построения опер ционной системы, в соответствии с которым все основные функции опер ционной системы, сост вляющие мно ослойное ядро,

выполняются в привиле иров нном режиме. В микроядерных ОС в

привиле иров нном режиме ост ется р от ть только очень не ольш я ч сть

ОС, н зыв ем я микроядром. Все ост льные высокоуровневые функции ядр оформляются в виде приложений, р от ющих в пользов тельском режиме.

Микроядерные ОС удовлетворяют ольшинству тре ов ний,

предъявляемых к современным ОС, о л д я переносимостью, р сширяемостью,

н дежностью и созд в я хорошие предпосылки для поддержки р спределенных

приложений. З эти достоинств приходится пл тить снижением производительности, что является основным недост тком микроядерной

рхитектуры.

5	Процессы и потоки
В жнейшей функцией		опер ционной системы		является ор	низ ция
р цион льно о использов ния		всех ее	пп р тных	и информ ционных
ресурсов.	К основным ресурс м мо ут		ыть отнесены процессоры,		п мять,

внешние устройств , д нные и про р ммы. Р спол ющ я одними и теми же

пп р тными ресурс ми, но упр вляем я р зличными ОС, вычислительн я

систем может р от ть с р зной степенью эффективности. Поэтому зн ние

внутренних мех низмов опер ционной системы позволяет косвенно судить о ее

эксплу т ционных	возможностях	и х р ктеристик х.		Хотя	и в
однопро р ммной	ОС нео ходимо	реш ть	з д чи упр вления ресурс ми
(н пример, р спределение п мяти		между	приложением и	ОС),	л вные

сложности н	этом пути возник ют в мультипро р ммных ОС, в которых з
ресурсы конкурируют ср зу несколько приложений.		менно поэтому ольш я
ч сть всех	про лем, р ссм трив емых в этой	л ве, относится к
мультипро р ммным систем м.

5.1 Мультипрограммирование

Мультипро р ммиров ние, или мно оз д чность (multitasking), — это

спосо ор низ ции вычислительно о процесс , при котором н одном процессоре попеременно выполняются ср зу несколько про р мм. Эти

про р ммы совместно используют не только процессор, но и дру ие ресурсы

компьютер : опер тивную и внешнюю п мять,	устройств	ввод -вывод ,
д нные. Мультипро р ммиров ние призв но	повысить	эффективность
использов ния вычислительной системы, одн ко эффективность может

поним ться по-р зному. Н и олее х р ктерными критериями эффективности вычислительных систем являются:

пропускн я спосо ность — количество з д ч, выполняемых вычислительной системой в единицу времени;

удо ство р оты пользов телей, з ключ ющееся, в ч стности, в том, что они имеют возможность интер ктивно р от ть одновременно с несколькими приложениями н одной м шине;

ре ктивность системы — спосо ность системы выдержив ть з р нее

з д нные (возможно, очень короткие) интерв лы времени между з пуском про р ммы и получением результ т .

В з висимости от вы р нно о критерия эффективности ОС делятся н

системы	п кетной	о р отки,	системы	р зделения времени	и системы
ре льно о	времени.	К ждый	тип ОС	имеет специфические	внутренние

мех низмы и осо ые о л сти применения. Некоторые опер ционные системы мо ут поддержив ть одновременно несколько режимов, н пример ч сть з д ч

может выполняться в режиме п кетной о р отки,	ч сть — в режиме
ре льно о времени или в режиме р зделения времени.

5.1.1 Мультипрограммирование в системах пакетной обработки

При использов нии мультипро р ммиров ния для повышения

пропускной спосо ности компьютер л вной целью является минимиз ция простоев всех устройств компьютер , и прежде все о центр льно о

процессор ., Т кие простои мо ут возник ть из-з приост новки з д чи по ее

внутренним причин м, связ нным, н пример, с ожид нием ввод д нных для

о р отки. Д нные мо ут		хр ниться		н диске или		же	поступ ть	от
пользов теля,	р от юще о	з	термин лом,		т кже	от	измерительной
пп р туры,	уст новленной	н	внешних		технических		о ъект х.	При
возникновении т ко о род		локировки		выполняемой з д чи естественным

решением, ведущим к повышению эффективности использов ния процессор ,

является переключение процессор н выполнение дру ой з д чи, у которой есть д нные для о р отки. Т к я концепция мультипро р ммиров ния положен в основу т к н зыв емых п кетных систем.

Системы	п кетной о р		отки предн зн ч лись для			решения з д ч в
основном вычислительно о		х р ктер , не		тре ующих	ыстро о		получения
результ тов. Гл вной целью		и	критерием	эффективности		систем	п кетной
о р отки является м ксим льн я пропускн я спосо ность,						то есть решение
м ксим льно о числ з д ч в единицу времени.
Для достижения этой цели в систем х п кетной о р					отки используется
следующ я схем	функциониров ния: в н ч ле р оты				формируется п кет

з д ний, к ждое з д ние содержит тре ов ние к системным ресурс м; из это о

п кет з д ний формируется мультипро р ммн я смесь, то есть множество одновременно выполняемых з д ч. Для одновременно о выполнения

вы ир ются з д чи, предъявляющие р зные тре ов ния к ресурс м, т к, что ы о еспечив л сь с л нсиров нн я з рузк всех устройств вычислительной

м шины. Н пример, в мультипро р ммной смеси жел тельно одновременное присутствие вычислительных з д ч и з д ч с интенсивным вводом-выводом.

Т ким о р зом, вы ор ново о з д ния из п кет з д ний з висит от внутренней ситу ции, скл дыв ющейся в системе, то есть вы ир ется «вы одное» з д ние.

Следов тельно, в вычислительных систем х, р от ющих под упр влением

п кетных ОС, невозможно р нтиров ть выполнение то о или ино о з д ния в течение определенно о период времени.

Р ссмотрим олее дет льно совмещение во времени опер ций ввод -

вывод и вычислений.

Т кое совмещение может дости ться р зными спосо ми. Один из них

х р ктерен для компьютеров, имеющих специ лизиров нный процессор ввод -

вывод . В компьютер х кл сс мэйнфреймов т кие процессоры н зыв ют

к н л ми. О ычно к н л имеет систему ком нд, отлич ющуюся от системы ком нд центр льно о процессор . Эти ком нды специ льно предн зн чены для

упр вления	внешними		устройств ми, н пример		«проверить	состояние
устройств »,	«уст новить		м нитную оловку»,	«уст новить н ч ло			лист »,
«н печ т ть	строку».	К н льные про р ммы		мо ут	хр ниться	в	той же
опер тивной п мяти,		что и про р ммы центр льно о процессор .				В	системе

ком нд центр льно о процессор предусм трив ется специ льн я инструкция, с

помощью которой к н лу перед ются п р метры и ук з ния	н то, к кую
про р мму ввод -вывод он должен выполнить. Н чин я с	это о	момент
центр льный процессор и к н л мо ут р от ть п р ллельно (рис. 4.1,		).

Рис. 4.1. П р ллельное выполнение вычислений и опер ций ввод -вывод

Дру ой спосо совмещения вычислений с опер циями ввод -вывод

ре лизуется в компьютер х, в которых внешние устройств					упр вляются не
процессором ввод -вывод ,		контроллер ми. К ждое внешнее устройство (или
рупп внешних устройств одно о тип )			имеет свой со ственный контроллер,
который втономно отр		тыв ет ком нды, поступ ющие			от центр льно о
процессор . При этом контроллер и			центр льный процессор			р от ют
синхронно.	Поскольку	мно ие	внешние	устройств		включ ют

электромех нические узлы, контроллер выполняет свои ком нды упр вления устройств ми существенно медленнее, чем центр льный процессор — свои.

Это о стоятельство используется для ор низ ции п р ллельно о выполнения вычислений и опер ций ввод -вывод : в промежутке между перед чей ком нд,

контроллеру центр льный процессор может выполнять вычисления (рис. 4.1, ).

Контроллер может соо щить центр льному процессору о том, что он отов