Основные принципы построения операционных систем»

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОС

1.1. Принцип модульности - основной принцип построения ОС состоит в выделении отдельных функций и оформление их в виде отдельных блоков - "модульный принцип построения". Модуль - программный блок, который реализует определенную функцию и выполнен в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. Привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули.

1.2. Принцип функциональной избирательности - выделенная часть важных функций, реализуемых резидентным ядром ОС (управление процессами, памятью, устройствами вв и защита данных). Другие в виде транзитных для ОП программных модулей - вызываемых по необходимости.

1.3. Принцип функциональной избыточности - проведение работы различными средствами имеющимися в системе.

1.4. Принцип генерируемости ОС - возможность изменения конфигурации системы, в зависимости от функций ВС и назначения ОС.

1.5. Принцип виртуализация - построение виртуальных ресурсов различных уровней, от виртуальной машины до виртуальных устройств с новыми или улучшенными характеристиками.

1.6. Принцип независимости программ от внешних устройств - связь программ с устройствами в производится не на уровне трансляции, а в период ее исполнения. При этом перетрансляция программы для работа с другим или новым устройством не требуется.

1.7. Принцип совместимости - способность выполнять программы написанные для других ОС и версий ОС. Двоичная совместимость и совместимость на уровне исходных кодов. Программы для процессоров разных архитектур.

1.8. Принцип открытости и наращиваемости ОС - использует не только настройки и конфигурации но и доступна для анализа специалистами на всех уровнях и ввода в состав новых модулей (функций).

1.9. Принцип мобильности (переносимость) ОС - легкость переноса на новые аппаратные платформы (исходные тексты на языке высокого уровня, ограниченная зависимость ядра от оборудования и др)

1.10. Принцип обеспечение безопасных вычислений

- защита ресурсов одного пользователя от других;

- установление квот по ресурсам для предотвращения захвата всех;

- защита информации от несанкционированного доступа.

 

Материал к лекции

«Архитектура операционных систем

Основные принципы построения операционных систем»

(по Таненбауму)

 

Среди множества принципов, которые используются при построении ОС, перечислим несколько наиболее важных

Принцип модульности

Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.

По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов.

Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот).

Мы говорим о системных программных модулях (они являются программными ресурсами и могут быть распределены между выполняющимися процессами).

Программные модули могут быть однократно и многократно используемыми.

Однократно используемыми назвают такие модули, которые могут быть правильно выполнены только один раз. Т.е. в процессе выполнения они могут испортить себя (повреждается часть кода или исходные данные). Очевидно, что они являются неделимыми ресурсами. Эти модули обычно используются на этапе загрузки ОС (файлы на системном диске, в которых записаны эти модули при этом не портятся, поэтому могут быть использованы при следующих запусках).

 

Многократно используемые программные модули делятся на

- привилегированные,

- повторно входимые и

- реентерабельные модули.

Привилегированные работают в привилегированном режиме (т.е. при отключенной системе прерываний). Таким образом, никакие внешние события не могут нарушить порядок их выполнения). Эти модули являются попеременно разделяемым ресурсом.

Непривилегированные модули – это обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы.

(В общем случае их нельзя считать разделяемыми, так как после прерывания выполнения такого модуля, исполняемого в рамках одного процесса, запусить его еще раз по требованию другого процесса, то промежуточные результаты прерванных вычислений могут быть потерянными.

Противоположны им реентерабельные модули (reenterable – допускающий повторное обращение).

Они допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный запуск.

Для этого они создаются таким образом, чтобы было обеспечено сохранение промежуточных вычислений и возврат с прерванной точки. Это может быть реализовано двумя способами: с помощью статических и динамических методов выделения памяти под сохраняемые значения.

Чаще используется динамический метод.

С помощью обращения из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения текущих данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало выделенной области и ее объем. Теперь включается система прерываний (завершилась привилегированная част модуля). Поэтому возможно прерывание во время выполнения основной части модуля. Если прерывание не возникает, то после завершения основной части модуля выполняется запрос на освобождение блока системной области памяти. Если возникает прерывание и другой процесс обращается к этому же самому реентерабельному модулю, для нового процесса вновь заказывается новый блок памяти и на вершину стека записывается новый указатель.

При статическом способе выделения памяти заранее для фиксированного числа процессов резервируются области памяти, в которых будут располагаться переменные реентерабельных модулей. Для каждого процесса – своя область.

Чаще всего такими процессами являются процессы ввода\вывода и речь идет о реентерабельных драйверах, которые могут управлять параллельно несколькими однотипными устройствами).

Существуют еще и повторно входимые (re-entrance) модули. Они также допускают многократное паралльное использование, но в отличие от реентерабельных, их нельзя прерывать. Они состоят из привилегированных секций и повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из секций. Другими словами, в повторно входимых модулях четко предопределены все допустимые точки входа.

Заметим, что повторно входимые модули встречаются чаще, чем реентерабельные.

 

Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.

Принцип генерируемости ОС

Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач.

 

Эта процедура проводится редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС.

Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.

Упомянутый раньше принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы.

В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть — модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных.

В остальных современных распространенных ОС для персональных компьютеров конфигурирование ОС под соответствующий состав оборудования осуществляется на этапе инсталляции, а потом состав драйверов и изменение некоторых параметров ОС может быть осуществлено посредством редактирования конфигурационного файла.

Принцип виртуализации

Построение виртуальных ресурсов, их распределение и использование теперь используется практически в любой ОС. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать их программы, написанные на определенном языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительной системы, способы эффективного использования ее компонентов и подсистем. Он мыслит и работает с машиной в терминах используемого им языка и тех ресурсов, которые ему предоставляются в рамках виртуальной машины.

Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:

- единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных — в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования;

- произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям на уровне используемого языка в терминах управления процессами;

- произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответствующей системы управления файлами. Предусмотрено расширение информационных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.

Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большей или меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности у полученной пользователем машины.

Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Другими словами, речь идет об организации нескольких операционных сред.

Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности.

Примером реализации принципа виртуализации может служить VDM-машина (virtual DOS machine) — защищенная подсистема, предоставляющая полную среду MS-DOS и консоль для выполнения MS-DOS приложений. Одновременно может выполняться практически произвольное число VDM-сессий. Такие VDM-машины имеются и в системах Microsoft Windows, и в OS/2.

Принцип совместимости

Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, программу для ПК типа IBM PC желательно выполнить на ПК типа Macintosh фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. В таком случае процессор типа 680x0 (или PowerPC) на Мае должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 180x86. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.

Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Использование стандарта POSIX позволяет создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОС

1.1. Принцип модульности - основной принцип построения ОС состоит в выделении отдельных функций и оформление их в виде отдельных блоков - "модульный принцип построения". Модуль - программный блок, который реализует определенную функцию и выполнен в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. Привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули.

1.2. Принцип функциональной избирательности - выделенная часть важных функций, реализуемых резидентным ядром ОС (управление процессами, памятью, устройствами вв и защита данных). Другие в виде транзитных для ОП программных модулей - вызываемых по необходимости.

1.3. Принцип функциональной избыточности - проведение работы различными средствами имеющимися в системе.

1.4. Принцип генерируемости ОС - возможность изменения конфигурации системы, в зависимости от функций ВС и назначения ОС.

1.5. Принцип виртуализация - построение виртуальных ресурсов различных уровней, от виртуальной машины до виртуальных устройств с новыми или улучшенными характеристиками.

1.6. Принцип независимости программ от внешних устройств - связь программ с устройствами в производится не на уровне трансляции, а в период ее исполнения. При этом перетрансляция программы для работа с другим или новым устройством не требуется.

1.7. Принцип совместимости - способность выполнять программы написанные для других ОС и версий ОС. Двоичная совместимость и совместимость на уровне исходных кодов. Программы для процессоров разных архитектур.

1.8. Принцип открытости и наращиваемости ОС - использует не только настройки и конфигурации но и доступна для анализа специалистами на всех уровнях и ввода в состав новых модулей (функций).

1.9. Принцип мобильности (переносимость) ОС - легкость переноса на новые аппаратные платформы (исходные тексты на языке высокого уровня, ограниченная зависимость ядра от оборудования и др)

1.10. Принцип обеспечение безопасных вычислений

- защита ресурсов одного пользователя от других;

- установление квот по ресурсам для предотвращения захвата всех;

- защита информации от несанкционированного доступа.

 

Материал к лекции

«Архитектура операционных систем

Основные принципы построения операционных систем»

(по Таненбауму)

 

Среди множества принципов, которые используются при построении ОС, перечислим несколько наиболее важных

Принцип модульности

Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.

По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов.

Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот).

Мы говорим о системных программных модулях (они являются программными ресурсами и могут быть распределены между выполняющимися процессами).

Программные модули могут быть однократно и многократно используемыми.

Однократно используемыми назвают такие модули, которые могут быть правильно выполнены только один раз. Т.е. в процессе выполнения они могут испортить себя (повреждается часть кода или исходные данные). Очевидно, что они являются неделимыми ресурсами. Эти модули обычно используются на этапе загрузки ОС (файлы на системном диске, в которых записаны эти модули при этом не портятся, поэтому могут быть использованы при следующих запусках).

 

Многократно используемые программные модули делятся на

- привилегированные,

- повторно входимые и

- реентерабельные модули.

Привилегированные работают в привилегированном режиме (т.е. при отключенной системе прерываний). Таким образом, никакие внешние события не могут нарушить порядок их выполнения). Эти модули являются попеременно разделяемым ресурсом.

Непривилегированные модули – это обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы.

(В общем случае их нельзя считать разделяемыми, так как после прерывания выполнения такого модуля, исполняемого в рамках одного процесса, запусить его еще раз по требованию другого процесса, то промежуточные результаты прерванных вычислений могут быть потерянными.

Противоположны им реентерабельные модули (reenterable – допускающий повторное обращение).

Они допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный запуск.

Для этого они создаются таким образом, чтобы было обеспечено сохранение промежуточных вычислений и возврат с прерванной точки. Это может быть реализовано двумя способами: с помощью статических и динамических методов выделения памяти под сохраняемые значения.

Чаще используется динамический метод.

С помощью обращения из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения текущих данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало выделенной области и ее объем. Теперь включается система прерываний (завершилась привилегированная част модуля). Поэтому возможно прерывание во время выполнения основной части модуля. Если прерывание не возникает, то после завершения основной части модуля выполняется запрос на освобождение блока системной области памяти. Если возникает прерывание и другой процесс обращается к этому же самому реентерабельному модулю, для нового процесса вновь заказывается новый блок памяти и на вершину стека записывается новый указатель.

При статическом способе выделения памяти заранее для фиксированного числа процессов резервируются области памяти, в которых будут располагаться переменные реентерабельных модулей. Для каждого процесса – своя область.

Чаще всего такими процессами являются процессы ввода\вывода и речь идет о реентерабельных драйверах, которые могут управлять параллельно несколькими однотипными устройствами).

Существуют еще и повторно входимые (re-entrance) модули. Они также допускают многократное паралльное использование, но в отличие от реентерабельных, их нельзя прерывать. Они состоят из привилегированных секций и повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из секций. Другими словами, в повторно входимых модулях четко предопределены все допустимые точки входа.

Заметим, что повторно входимые модули встречаются чаще, чем реентерабельные.

 

Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.