Функции микроядра. Микроядерные операционные системы

Дата: 12.12.2023

операционная система – это обычная программа, поэтому было бы логично и организовать ее так же, как устроено большинство программ, то есть составить из процедур и функций. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Такая структура операционной системы называется монолитным ядром (monolithic kernel). 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. Следует отметить, что присутствие в ядре лишних компонентов крайне нежелательно, так как ядро всегда полностью располагается в оперативной памяти. Кроме того, исключение ненужных компонентов повышает надежность операционной системы в целом.

Монолитное ядро – старейший способ организации операционных систем . Примером систем с монолитным ядром является большинство Unix-систем.

Даже в монолитных системах можно выделить некоторую структуру. Как в бетонной глыбе можно различить вкрапления щебенки, так и в монолитном ядре выделяются вкрапления сервисных процедур, соответствующих системным вызовам . Сервисные процедуры выполняются в привилегированном режиме, тогда как пользовательские программы – в непривилегированном. Для перехода с одного уровня привилегий на другой иногда может использоваться главная сервисная программа, определяющая, какой именно системный вызов был сделан, корректность входных данных для этого вызова и передающая управление соответствующей сервисной процедуре с переходом в привилегированный режим работы. Иногда выделяют также набор программных утилит, которые помогают выполнять сервисные процедуры.

Многоуровневые системы (Layered systems)

Продолжая структуризацию, можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Чем ниже уровень, тем более привилегированные команды и действия может выполнять модуль, находящийся на этом уровне. Впервые такой подход был применен при создании системы THE (Technishe Hogeschool Eindhoven) Дейкстрой (Dijkstra) и его студентами в 1968 г. Эта система имела следующие уровни:

Рис. 1.2.

Слоеные системы хорошо реализуются. При использовании операций нижнего слоя не нужно знать, как они реализованы, нужно лишь понимать, что они делают. Слоеные системы хорошо тестируются. Отладка начинается с нижнего слоя и проводится послойно. При возникновении ошибки мы можем быть уверены, что она находится в тестируемом слое. Слоеные системы хорошо модифицируются. При необходимости можно заменить лишь один слой, не трогая остальные. Но слоеные системы сложны для разработки: тяжело правильно определить порядок слоев и что к какому слою относится. Слоеные системы менее эффективны, чем монолитные. Так, например, для выполнения операций ввода-вывода программе пользователя придется последовательно проходить все слои от верхнего до нижнего.

Виртуальные машины

В начале лекции мы говорили о взгляде на операционную систему как на виртуальную машину , когда пользователю нет необходимости знать детали внутреннего устройства компьютера. Он работает с файлами, а не с магнитными головками и двигателем; он работает с огромной виртуальной, а не ограниченной реальной оперативной памятью; его мало волнует, единственный он на машине пользователь или нет. Рассмотрим несколько иной подход. Пусть операционная система реализует виртуальную машину для каждого пользователя, но не упрощая ему жизнь, а, наоборот, усложняя. Каждая такая виртуальная машина предстает перед пользователем как голое железо – копия всего hardware в вычислительной системе, включая процессор , привилегированные и непривилегированные команды, устройства ввода-вывода, прерывания и т.д. И он остается с этим железом один на один. При попытке обратиться к такому виртуальному железу на уровне привилегированных команд в действительности происходит системный вызов реальной операционной системы , которая и производит все необходимые действия. Такой подход позволяет каждому пользователю загрузить свою операционную систему на виртуальную машину и делать с ней все, что душа пожелает.

Рис. 1.3.

Первой реальной системой такого рода была система CP/CMS, или VM/370, как ее называют сейчас, для семейства машин IBM/370.

Недостатком таких операционных систем является снижение эффективности виртуальных машин по сравнению с реальным компьютером, и, как правило, они очень громоздки. Преимущество же заключается в использовании на одной вычислительной системе программ, написанных для разных операционных систем .

Микроядерная архитектура

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой ( microkernel architecture) операционной системы , когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора , первичную обработку прерываний , операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Рис. 1.4.

Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро.

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 ее 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.

В то же время микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что существенно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе

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.

У этого термина существуют и другие значения, см. Amoeba (значения). Amoeba Разработчик Эндрю Таненбаум и др. Исходный код Открытый Первый выпуск 1983 Последняя версия 5.3 1996 Тип ядра Мик … Википедия

Spring экспериментальная микроядерная объектно ориентированная операционная система, разработанная Sun Microsystems в начале 1990 х. В ней использовались принципы, сходные с теми, что использовались в ядре Mach. Разработка прекратилась в середине … Википедия

Это список известных операционных систем. Операционные системы могут быть классифицированы по базовой технологии (UNIX подобные, пост UNIX/потомки UΝΙΧ), типу лицензии (проприетарная или открытая), развивается ли в настоящее время (устаревшие или … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро. Ядро центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное… … Википедия

Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавл … Википедия

Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавливается на информационные статьи списки и глоссари … Википедия

3.1.3a Разработчик Эндрю Таненбаум … Википедия

Рабочий стол QNX 6 (Neutrino) по … Википедия

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром (рис.14). 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.

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 режим, 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, т.е. 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.15).

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.

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,