Все остальные сервисы ОС, в классических монолитных ядрах предоставляемые непосредственно ядром, в микроядерных архитектурах реализуются в адресном пространстве пользователя (Ring3) и называются сервисами. Примерами таких сервисов, выносимых в пространство пользователя в микроядерных архитектурах, являются сетевые сервисы , файловая система , драйверы .
Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.
И чтобы добавить в ОС с микроядром драйвер того или иного устройства, не надо перекомпилировать всё ядро, а надо лишь отдельно откомпилировать этот драйвер и запустить его в пользовательском пространстве.
В то же время микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с обменом сообщениями , что отрицательно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных операционных систем - необходимость очень аккуратного проектирования.
Классическим примером микроядерной системы является Symbian OS . Это пример распространенной и отработанной микроядерной (a начиная c версии Symbian OS v8.1, и наноядерной) операционной системы.
Создателям Symbian OS удалось совместить эффективность и концептуальную стройность, несмотря на то что современные версии этой системы предоставляют обширные возможности, в том числе средства для работы c потоковыми данными, стеками протоколов, критичными к латентности ядра, графикой и видео высокого разрешения). Разработчики Symbian вынесли практически все прикладные (т.e. выходящие за пределы компетенции ядра) задачи в модули-серверы, функционирующие в пользовательском адресном пространстве.
В ОС Windows NT версий 3.х микроядерная архитектура с сервисным процессом использовалась для подсистемы графики и пользовательского интерфейса. В частности, драйвер графической аппаратуры загружался в контекст сервисного процесса, а не ядра. Начиная с версии 4, от этого отказались, сервисный процесс сохранился только для управления консольными окнами командной строки, а собственно графическая подсистема вместе с драйвером аппаратуры (в том числе трехмерной графики) переместилась в специально обособленный регион ядра ОС.
ОС Windows CE (и созданные на её основе сборки, такие, как Windows Mobile), будучи практически полностью совместимой (как подмножество) с Windows NT по вызовам и методам программирования приложений, тем не менее полностью отличается от Windows NT по внутренней архитектуре и является микроядерной ОС с выносом всех драйверов устройств, сетевых стеков и графической подсистемы в сервисные процессы.
Недостаток - плата за принудительное «переключение» процессов в ядре (переключение контекста); этот факт собственно и объясняет трудности в проектировании и написании ядер подобной конструкции. Эти недостатки способны обойти ОС, использующие архитектуру экзоядра , являющуюся дальнейшим развитием микроядерной архитектуры.
См. также
МикроядраWikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Микроядро" в других словарях:
Микроядро … Орфографический словарь-справочник
Центральная часть операционной системы, выполняющая основные функции управления системой: управление виртуальной памятью; поддержка выполнения процессов; организация взаимодействия процессов; обслуживание ввода/вывода данных и прерываний. По… … Финансовый словарь - У этого термина существуют и другие значения, см. L4. Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия
Текст лекции
Ключевые вопросы
Лекция № 2. Архитектура операционных систем. Часть 1
· Цель и задачи курса.
· Информация и данные.
· Основные понятия и определения: дисковые операционные системы (ДОС); ОС общего назначения; системы промежуточных типов, Системы виртуальных машин; Системы реального времени; Системы кросс-разработки; системы промежуточных типов.
· Основные понятия и определения:Микроядро.
· История развития систем.
· Назначение и основные компоненты СБД.
· Монолитные операционные системы..
Структура и сложность операционных систем существенно изменяется по мере развития, как самих операционных систем, так и аппаратного обеспечения . Операционная система CTSS, разработанная в Массачусетском технологическом институте (МТИ) в 1963 году занимала в памяти около 36 тысяч 36-разрядных слов. OS/360, разработанная фирмой IBM через год, содержала уже более миллиона машинных команд. Система Multics, совместно разработанная специалистами МТИ и Bell Laboratories в 1975 году содержала уже около 20 миллионов команд.
Увеличение размера и сложности операционных систем привело к возникновению трех распространенных проблем:
Операционные системы доходят до пользователя с существенным опозданием,
В системах присутствуют скрытые ошибки, требующие исправления,
Рост производительности операционных систем не так велик, как хотелось бы.
Пути решения эти проблем, вообще говоря, достаточно очевидны:
Система должна состоять из модулей – это упрощает ее написание и отладку,
Модули должны иметь тщательно разработанные и максимально простые интерфейсы – это также облегчает написание и отладку, а также внесение изменений в систему.
Несмотря на очевидность такого решения, оказалось, что для сложных систем, состоящих и миллионов и более строк, оно не избавляет от всех проблем.
Структура операционной системы во многом зависит от того, к какому из типов она относится. Типов операционных систем можно выделить много, однако по большому счету можно выделить следующие:
Микроядерные,
Монолитные,
Многоуровневые,
Виртуальные машины,
Экзоядро,
Модель клиент-сервер.
Микроядро – это минимальная часть операционной системы, являющаяся основой для модульных и переносимых расширений. Основная идея микроядра – создать необходимую среду верхнего уровня, из которой можно получить доступ ко всем функциям уровня аппаратного обеспечения .
В микроядре содержится минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. К этим вызовам относятся передача сообщений и другие коммуникации между внешними по отношению к ядру процессами, управление прерываниями и некоторые другие функции. Остальные функции реализуются как модульные дополнения, взаимодействующие между собой с помощью сообщений.
Микроядро работает с наивысшим приоритетом и обеспечивает работу остальной части операционной системы как набора серверных приложений. Технология микроядра Mach (мэк) создана в университете Карнеги Меллон и служит основой многих операционных систем.
Функциональность микроядра ограничена с целью сокращения его размеров и перевода большей части операционной системы в ранг прикладной программы. Обычно микроядро поддерживает пять различных типов сервисов :
Управление виртуальной памятью,
Управление заданиями и потоками,
Межпроцессные коммуникации (IPC – inter-process communication),
Управление вводом-выводом и прерываниями,
Обеспечение клиент-серверного сервиса.
Другие функции операционной системы размещаются в других сервисах ОС, работающих как приложения микроядра.
Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем . В привилегированном режиме работает только очень небольшая часть операционной системы, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и от приложений. Набор функций микроядра соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Это те функции, которые нельзя выполнить в пользовательском режиме. На рисунке 1.2 показан механизм переноса основного объема функций ядра в пространство пользователя .
Благодаря своим размерам и способности поддерживать стандартные сервисы программирования микроядро проще ядер монолитных или модульных операционных систем.
Рисунок 4.1 – Перенос основного объема функций ядра в пространство пользователя
Все остальные функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначных рекомендаций о том, какие из системных функций следует выполнять в привилегированном режиме, а какие в пользовательском, не существует.
Менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, так как их основным назначением является обслуживание запросов приложений и других модулей ОС. Для реализации этого механизма необходимо наличие в ОС эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка этого механизма и является основной функцией микроядра.
На рисунке 4.2 показан механизм обращения к функциям ОС, оформленных в виде серверов. Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент операционной системы, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ ко всем адресным пространствам, поэтому может работать в качестве посредника. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
Наиболее ярким представителем микроядерных ОС является операционная система реального времени QNX. Микроядро QNX планирует только планирование и диспетчеризацию процессов, их взаимодействие, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Такое микроядро обеспечивает лишь два десятка системных вызовов и имеет размер от 8 до 46 килобайт.
Рисунок 4.2 – Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре
Для построения минимальной системы QNX к микроядру следует добавить менеджер процессов, который создает процессы, управляет ими и их памятью. Для применения QNX в настольной ПЭВМ, к микроядру следует добавить также файловую систему и менеджер устройств.
Все эти менеджеры выполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим.
Рассмотрим кратко достоинства и недостатки микроядерных ОС. К достоинствам их можно отнести:
Переносимость, обусловленная тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре,
Расширяемость, обусловленная ограниченным набором четко определенных интерфейсов микроядра; добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра,
Надежность, обусловленная тем, что каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в собственной области памяти, что защищает его от других серверов ОС (в традиционной операционной системе все модули могут влиять друг на друга); повышению надежности способствует также уменьшенный объем кода микроядра,
Пригодность для распределенных вычислений, так как использует механизмы клиент-серверного взаимодействия, причем серверы микроядерной ОС могут находиться как на одном, так и на разных компьютерах.
Основным недостатком микроядерной ОС является сниженная по сравнению с классической ОС производительность. Дело в том, что при классической организации ОС выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной архитектуре – четырьмя. Ситуация иллюстрируется рисунком 4.3.
Рисунок 4.3 – Смена режимов при выполнении системного вызова
Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT . В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая оболочка и высокоуровневые драйверы графических устройств были включены в состав сервера пользовательского режима, и вызов этих функций осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако, разработчикам стало ясно, что такой механизм существенно снижает быстродействие системы, поэтому в версии 4.0 перечисленные выше модули были включены в ядро. Этот факт отдалил ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но сделал систему более производительной.
Большинство
современных операционных систем
представляет собой хорошо структурированные
модульные системы, способные к развитию,
расширению и переносу на новые
платформы.
Монолитная
ОС
(UNIX
или Novell NetWare) использует монолитное
ядро, которое компонуется как одна
программа, работающая в привилегированном
режиме. Монолитное ядро представляет
собой набор процедур, каждая из которых
может вызвать каждую. Все процедуры
работают в привилегированном режиме.
Таким образом, монолитное ядро – это
такая схема операционной системы, при
которой все ее компоненты являются
составными частями одной программы,
используют общие структуры данных и
взаимодействуют друг с другом путем
непосредственного вызова процедур. Для
монолитной операционной системы ядро
совпадает со всей системой.
Во
многих операционных системах с монолитным
ядром сборка ядра, то есть его компиляция,
осуществляется отдельно для каждого
компьютера, на который устанавливается
операционная система. При этом можно
выбрать список оборудования и программных
протоколов, поддержка которых будет
включена в ядро. Так как ядро является
единой программой, перекомпиляция –
это единственный способ добавить в него
новые компоненты или исключить
неиспользуемые.
Микроядерная архитектура
Концепция
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 или 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. 3.10). 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.
Рис. 3.10. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство
Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра - файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., - становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.
Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.
Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д. Именно поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, то есть модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием является наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.
Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом (рис. 3.11). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
Рис. 3.11. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре
Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры
Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства приходится платить снижением производительности, и это является основным недостатком микроядерной архитектуры.
Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.
Расширяемость присуща микроядерной ОС в очень высокой степени. В традиционных системах даже при наличии многослойной структуры нелегко удалить один слой и поменять его на другой по причине множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требует хорошего знания операционной системы и больших затрат времени. В то же время ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра открывает путь к упорядоченному росту и эволюции ОС. Добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра. Микроядерная структура позволяет не только добавлять, но и сокращать число компонентов операционной системы, что также бывает очень полезно. Например, не всем пользователям нужны средства безопасности или поддержки распределенных вычислений, а удаление их из традиционного ядра чаще всего невозможно. Обычно традиционные операционные системы позволяют динамически добавлять в ядро или удалять из ядра только драйверы внешних устройств - ввиду частых изменений в конфигурации подключенных к компьютеру внешних устройств подсистема ввода-вывода ядра допускает загрузку и выгрузку драйверов «на ходу», но для этого она разрабатывается особым образом (например, среда STREAMS в UNIX или менеджер ввода-вывода в Windows NT). При микроядерном подходе конфигурируемость ОС не вызывает никаких проблем и не требует особых мер - достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить не нужные 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 операционной системы, что не наблюдается в традиционной ОС, где все модули ядра могут влиять друг на друга. И если отдельный сервер терпит крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальных серверов ОС. Более того, поскольку серверы выполняются в пользовательском режиме, они не имеют непосредственного доступа к аппаратуре и не могут модифицировать память, в которой хранится и работает микроядро. Другим потенциальным источником повышения надежности ОС является уменьшенный объем кода микроядра по сравнению с традиционным 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. В этом случае при получении сообщения от приложения микроядро может обработать его самостоятельно и передать локальному серверу или же переслать по сети микроядру, работающему на другом компьютере. Переход к распределенной обработке требует минимальных изменений в работе операционной системы - просто локальный транспорт заменяется на сетевой.
Производительность. При классической организации ОС (рис. 3.12, а) выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации (рис. 3.12, 6) - четырьмя. Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали.
Рис. 3.12 . Смена режимов при выполнении системного вызова
Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая библиотека и высокоуровневые драйверы графических устройств входили в состав сервера пользовательского режима, и вызов функций этих модулей осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако очень скоро разработчики Windows NT поняли, что такой механизм обращений к часто используемым функциям графического интерфейса существенно замедляет работу приложений и делает данную операционную систему уязвимой в условиях острой конкуренции. В результате в версию Windows NT 4.0 были внесены существенные изменения - все перечисленные выше модули были перенесены в ядро, что отдалило эту ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но зато резко повысило ее производительность.
Этот пример иллюстрирует главную проблему, с которой сталкиваются разработчики операционной системы, решившие применить микроядерный подход, - что включать в микроядро, а что выносить в пользовательское пространство. В идеальном случае микроядро может состоять только из средств передачи сообщений, средств взаимодействия с аппаратурой, в том числе средств доступа к механизмам привилегированной защиты. Однако многие разработчики не всегда жестко придерживаются принципа минимизации функций ядра, часто жертвуя этим ради повышения производительности. В результате реализации ОС образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом - системы, подобные Windows NT, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.
В микроядерных операционных системах мы можем выделить центральный компактный модуль, относящийся к супервизорной части системы. Этот модуль имеет очень небольшие размеры и выполняет относительно небольшое количество управляющих функций, но позволяет передать управление на другие управляющие модули, которые и выполнят затребованную функцию. Микроядро - это минимальная главная (стержневая) часть операционной системы, служащая основой модульных и переносимых расширений. Микроядро само является модулем системного программного обеспечения, работающим в наиболее приоритетном состоянии компьютера и поддерживающим связи с остальной частью операционной системы, которая рассматривается как набор серверных приложений (служб).
В 90-е годы XX века было весьма распространенным убеждение, что большинство операционных систем следующих поколений будут строиться как микроядерные. Однако практика показывает, что это не совсем так. Разработчики желают иметь компактное микроядро, но при этом включить в него как можно больше функций, исполняемых непосредственно этим программным модулем. Ибо выполнение затребованной функции другим модулем, вызываемым из микроядра, приводит и к дополнительным задержкам, и к дополнительным сложностям. Более того, имеется масса разных мнений по поводу того, как следует организовывать службы операционной системы по отношению к микроядру; как проектировать драйверы устройств, чтобы добиться наибольшей эффективности, но сохранить функции
290______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем
драйверов максимально независимыми от аппаратуры; следует ли выполнять операции, не относящиеся к ядру, в пространстве ядра или в пространстве пользователя; стоит ли сохранять программы имеющихся подсистем (например, UNIX) или лучше отбросить все и начать с нуля.
Основная идея, заложенная в технологию микроядра заключается в том, чтобы создать необходимую среду верхнего уровня иерархии, из которой можно легко получить доступ ко всем функциональным возможностям уровня аппаратного обеспечения. При этом микроядро является стартовой точкой для создания всех остальных модулей системы. Все эти остальные модули, реализующие необходимые системе функции, вызываются из микроядра и выполняют сервисную роль. При этом они получают статус обычного процесса или задачи. Можно сказать, что микроядерная архитектура соответствует технологии клиент-сервер. Именно эта технология позволяет в большей мере и с меньшими трудозатратами реализовать перечисленные выше принципы проектирования операционных систем.
Важнейшая задача разработки микроядра заключается в выборе базовых примитивов, которые должны находиться в микроядре для обеспечения необходимого и достаточного сервиса. В микроядре содержится и исполняется минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. В число этих вызовов входят передача сообщений и организация другого общения между внешними по отношению к микроядру процессами, поддержка управления прерываниями, а также ряд других весьма немногочисленных функций. Остальные системные функции, характерные для «обычных» (не микроядерных) операционных систем, обеспечиваются как модульные дополнения-процессы, взаимодействующие главным образом между собой и осуществляющие взаимодействие посредством передачи сообщений.
Для большинства микроядерных операционных систем основой для такой архитектуры выступает технология микроядра Mach. Эта операционная система была создана в университете Карнеги Меллон, и многие разработчики брали с нее пример.
Исполняемые микроядром функции ограничены в целях сокращения его размеров и максимизации количества кода, работающего как прикладная программа. Микроядро включает только те функции, которые требуются в целях определения набора абстрактных сред обработки для прикладных программ и организации совместной работы приложений. В результате микроядро обеспечивает только пять различных типов сервисов:
Управление виртуальной памятью;
Поддержка заданий и потоков;
Взаимодействие между процессами (Inter-Process Communication, IPC);
- управление поддержкой ввода-вывода и прерываниями;
Сервисы хоста (host) 1 и процессора.
1 Хост - главный компьютер. Нынче этим термином обозначают любой компьютер, имеющий IP-адрес.
Микроядерные операционные системы________________ 291
Другие подсистемы и функции операционной системы, такие как файловые системы, поддержка внешних устройств и традиционные программные интерфейсы, оформляются как системные сервисы либо получают статус обычных обрабатывающих задач. Эти программы работают как приложения на микроядре.
С применением концепции нескольких потоков выполнения на одно задание микроядро создает прикладную среду, обеспечивающую использование мультипроцессоров; при этом совсем не обязательно, чтобы машина была мультипроцессорной: на однопроцессорной машине различные потоки просто выполняются в разное время. Вся поддержка, требуемая для мультипроцессорных машин, сконцентрирована в сравнительно малом и простом микроядре.
Благодаря своим небольшим размерам и способности поддерживать остальные службы в виде обычных процессов, выполняющихся вместе с прикладными программами, сами микроядра проще, чем ядра монолитных или модульных операционных систем. С микроядром супервизорная часть операционной системы разбивается на модульные части, которые могут быть сконфигурированы целым рядом способов, позволяя строить большие системы добавлением частей к меньшим. Например, каждый аппаратно-независимый нейтральный сервис логически отделен и может быть сконфигурирован различными способами. Микроядра также облегчают поддержку мультипроцессоров созданием стандартной программной среды, которая может использовать несколько процессоров, если они есть, однако если их нет, работает на одном. Специализированный код для мультипроцессоров ограничен самим микроядром. Более того, сети из общающихся между собой микроядер могут быть использованы для операционной системной поддержки возникающего класса массивно параллельных машин.
В некоторых случаях использование микроядерного подхода на практике сталкивается с определенными сложностями, что проявляется в некотором замедлении скорости выполнения системных вызовов при передаче сообщений через микроядро по сравнению с классическим подходом. С другой стороны, можно констатировать и обратное. Поскольку микроядра малы и в значительной степени оптимизированы, при соблюдении ряда условий они позволяют обеспечить характеристики реального времени, требующиеся для управления устройствами и для высокоскоростных коммуникаций. Наконец, хорошо структурированные микроядра обеспечивают изолирующий слой для аппаратных различий, которые не маскируются применением языков программирования высокого уровня. Таким образом, они упрощают перенесение кода и увеличивают уровень его повторного использования.
Наиболее ярким представителем микроядерных операционных систем является операционная система реального времени QNX. Микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня (подробнее об ОС QNX см. в главе 10). Это микроядро обеспечивает всего лишь пару десятков системных вызовов, но благодаря этому оно может быть целиком размещено во внутреннем кэше даже таких процессоров, как Intel 486. Как известно, разные версии этой операционной системы имели и разные объемы ядер - от 8 до 46 Кбайт.
292______________________________ Глава 9. Архитектура операционных систем
Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает процессы и управляет ими и памятью процессов. Чтобы операционная система QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств. Эти менеджеры исполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим.
Лекция № 4. Микроядерная архитектура ОС
1. Концепция микроядерной архитектуры.
2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры
3. Совместимость ОС
1. Концепция микроядерной архитектуры
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.
Рис. 1. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство
Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в; виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра - файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., - становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.
Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.
Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д. Именно поэтому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, то есть модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием является наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.
Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом (рис. 2). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
https://pandia.ru/text/78/240/images/image003_9.jpg" width="520" height="224 src=">
Рис. 3. Смена режимов при выполнении системного вызова
Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая библиотека и высокоуровневые драйверы графических устройств входили в состав сервера пользовательского режима, и вызов функций этих модулей осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако очень скоро разработчики Windows NT поняли, что такой механизм обращений к часто используемым функциям графического интерфейса существенно замедляет работу приложений и делает данную операционную систему уязвимой в условиях острой конкуренции. В результате в версию Windows NT 4.0 были внесены существенные изменения - все перечисленные выше модули были перенесены в ядро, что отдалило эту ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но зато резко повысило ее производительность.
Этот пример иллюстрирует главную проблему, с которой сталкиваются разработчики операционной системы, решившие применить микроядерный подход, - что включать в микроядро, а что выносить в пользовательское пространство. В идеальном случае микроядро может состоять только из средств передачи сообщений, средств взаимодействия с аппаратурой, в том числе средств доступа к механизмам привилегированной защиты. Однако многие разработчики не всегда жестко придерживаются принципа минимизации функций ядра, часто жертвуя этим ради повышения производительности. В результате реализации ОС образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом - системы, подобные Windows NT, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.
3. Совместимость ОС
В то время как многие архитектурные особенности операционных систем непосредственно касаются только системных программистов, концепция множественных прикладных сред непосредственно связана с нуждами конечных пользователей - возможностью операционной системы выполнять приложения, написанные для других операционных систем. Такое свойство операционной системы называется совместимостью.
Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов
Необходимо различать совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.
Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается выполнять данное приложение, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый исполняемый модуль.
Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах. Для пользователя, купившего в свое время пакет (например, Lotus 1-2-3) для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот полюбившийся ему пакет без каких-либо изменений и на своей новой машине, работающей под управлением, например, Windows NT.
Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими операционными системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор использует тот же набор команд (возможно, с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто. Для этого достаточно соблюдения следующих условий:
* вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживаться данной ОС;
* внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.
Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих разные архитектуры. Помимо соблюдения приведенных выше условий необходимо организовать эмуляцию двоичного кода.
Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совместимого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC - на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав регистров и т. п.), отличную от архитектуры процессора Intel, поэтому ему непонятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процессора. Для того чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установлено специальное программное обеспечение - эмулятор.
Эмулятор должен последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифрировать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Так как к тому же у процессора Motorola нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в Intel, он должен также имитировать (эмулировать) все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. Состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды должно быть абсолютно таким же, как и в реальном процессоре Intel.
Это простая, но очень медленная работа, так как одна команда процессора Intel исполняется значительно быстрее, чем эмулирующая его последовательность команд процессора Motorola.
Трансляция библиотек
Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих прикладную программную среду, является набор функций интерфейса прикладного программирования API, которые операционная система предоставляет своим приложениям. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям.
Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работают под управлением GUI (графических интерфейсов пользователя) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые действия. Они непрерывно выполняют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других связанных с GUI действий. Сегодня в типичных программах 60-80 % времени тратится на выполнение функций GUI и других библиотечных вызовов ОС. Именно это свойство приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на «родном» коде. Таким образом достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз.
Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows, может перехватить этот вызов и перенаправить его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а возможно, и превзойти) скорость работы на своем «родном» процессоре.
Чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Концепции, положенные в основу разных ОС, могут входить в противоречие друг с другом. Например, в одной операционной системе приложению может быть разрешено непосредственно управлять устройствами ввода-вывода, в другой - эти действия являются прерогативой ОС. Каждая операционная система имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.
Способы реализации прикладных программных сред
Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно связанной со структурой операционной системы. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечивающими различную степень переносимости приложений.
Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В операционных системах, построенных с использованием микроядерной концепции, таких как, например, Windows NT или Workplace OS, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в операционную систему.
Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных прикладных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС. На рис. 4 операционная система OS1 поддерживает кроме своих «родных» приложений приложения операционных систем OS2 и OS3. Для этого в ее составе имеются специальные приложения - прикладные программные среды, - которые транслируют интерфейсы «чужих» операционных систем API OS2 и API OS3 в интерфейс своей «родной» операционной системы - API OS1. Так, например,
в случае, если бы в качестве OS2 выступала операционная система UNIX, а в качестве OS1 - OS/2, для выполнения системного вызова создания процесса forkO в UNIX-приложении программная среда должна обратиться к ядру операционной системы OS/2 с системным вызовом DosExecPgm().
Рис. 4. Прикладные программные среды, транслирующие системные вызовы
К сожалению, поведение почти всех функций, составляющих API одной ОС, как правило, существенно отличается от поведения соответствующих функций другой ОС. Например, чтобы функция создания процесса в OS/2 DosExecPgmO полностью соответствовала функции создания процесса forkO в UNIX-подобных системах, ее нужно было бы изменить, чтобы она поддерживала возможность копирования адресного пространства родительского процесса в пространство процесса-потомка. (При нормальном же поведении этой функции память процесса-потомка инициализируется на основе данных нового исполняемого файла.)
В другом варианте реализации множественных прикладных сред операционная система имеет несколько равноправных прикладных программных интерфейсов. В приведенном на рис. 5 примере операционная-система поддерживает приложения, написанные для OS1, OS2 и OS3. Для этого непосредственно в пространстве ядра системы размещены прикладные программные интерфейсы всех этих ОС: API OS1, API OS2 и API OS3.
В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае несовместимые прикладные среды. В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т. д. Функции каждого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже
если они имеют аналогичное назначение. Например, как уже было сказано, функция создания процесса работает по-разному для приложения UNIX и приложения OS/2. Аналогично при завершении процесса ядру также необходимо определять, к какой ОС относится данный процесс. Если этот процесс был создан по запросу UNIX-приложения, то в ходе его завершения ядро должно послать родительскому процессу сигнал, как это делается в ОС UNIX. А по завершении процесса OS/2, созданного с параметром EXEC_SYNC, ядро должно отметить, что идентификатор процесса не может быть повторно использован другим процессом OS/2. Для того чтобы ядро могло выбрать нужный вариант реализации системного вызова, каждый процесс должен передавать в ядро набор идентифицирующих характеристик.
https://pandia.ru/text/78/240/images/image006_0.jpg" width="527" height="282 src=">
Рис. 6. Микроядерный подход к реализации множественных прикладных сред
Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между операционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора операционных систем и более легкий доступ к качественному программному обеспечению.