Системні виклики та інтерфейс програмування застосувань

Системний виклик - це засіб доступу до певної функції ядра операційної системи із прикладних програм. Набір системних викликів визначає дії, які ядро може ви­конати за запитом процесів користувача. Системні виклики задають інтерфейс між прикладною програмою і ядром ОС.

Розглянемо послідовність виконання системного виклику.

1. Припустимо, що для процесу, який виконується в режимі користувача, потрібна функція, реалізована в ядрі системи.

2. Для того щоб звернутися до цієї функції, процес має передати керування ядру ОС, для чого необхідно задати параметри виклику і виконати програмне пере­ривання (інструкцію системного виклику). Відбувається перехід у привілейо­ваний режим.

3. Після отримання керування ядро зчитує параметри виклику і визначає, що потрібно зробити.

4. Після цього ядро виконує потрібні дії, зберігає в пам'яті значення, які слід по­вернути, і передає керування програмі, що його викликала. Відбувається пе­рехід назад у режим користувача.

5. Програма зчитує з пам'яті повернені значення і продовжує свою роботу.

Як бачимо, кожний системний виклик спричиняє перехід у привілейований режим і назад (у мікроядровій архітектурі, як було зазначено вище, таких перехо­дів може бути і більше).

Розглянемо способи передачі параметрів у системний виклик. До них належать:

 

♦ передача параметрів у регістрах процесора;

♦ занесення параметрів у певну ділянку пам'яті й передача покажчика на неї в регістрі процесора.

Системні виклики призначені для безпосереднього доступу до служб ядра ОС. На практиці вони не вичерпують (а іноді й не визначають) ті функції, які можна використати у прикладних програмах для доступу до служб ОС або засобів си­стемних бібліотек. Для позначення цього набору функцій використовують термін інтерфейс програмування застосувань (Application Programming Interface, API).

Взаємозв'язок між функціями АРІ і системними викликами неоднаковий У різних ОС.

По-перше, кожному системному виклику може бути поставлена у відповід­ність бібліотечна функція, єдиним завданням якої є виконання цього виклику. Таку функцію називають пакувальником системного виклику (system call wrapper). Для програміста в цьому разі набір функцій АРІ виглядає як сукупність таких па­кувальників і додаткових функцій, реалізованих бібліотеками повністю або част­ково в режимі користувача. Це рішення прийняте за основу в UNIX; у такому разі прийнято говорити про використання системних викликів у прикладних програ­мах (насправді у програмах викликають пакувальники системних викликів).

По-друге, можна надати для використання у прикладних програмах універ­сальний інтерфейс програмування застосувань (АРІ режиму користувача) і пов­ністю сховати за ним набір системних викликів. Для програміста кожна функція такого АРІ є бібліотечною функцією режиму користувача, пакувальника в цьому разі немає, відомості про системні виклики є деталями реалізації ОС. Це вла­стиве Windows-системам, де подібний універсальний набір функцій називають Win32 АРІ [31, 50].

Програмна сумісність

Дотепер ми розглядали виконання в ОС програм, розроблених спеціально для неї. Іноді буває необхідно виконати в середовищі ОС програми, розроблені для інших ОС і, можливо, для іншої апаратної архітектури. У цьому разі виникає проблема програмної сумісності.

Програмна сумісність означає можливість виконувати в середовищі однієї опе­раційної системи програми, розроблені для іншої ОС. Розрізняють сумісність на рівні вихідних текстів (можливість перенесення вихідних текстів) та бінарну су­місність (можливість перенесення виконуваного коду).

Для сумісності на рівні вихідних текстів необхідно, щоб для всіх ОС існувала реалізація компілятора мови і АРІ, що його використовує програма.

Сьогодні таку сумісність забезпечує стандартизація розробки програмного за­безпечення, а саме:

♦ наявність стандарту на мови програмування (насамперед на С і C++) і стан­дартних компіляторів;

♦ наявність стандарту на інтерфейс операційної системи (АРІ).

Робота зі стандартизації інтерфейсу операційних систем відбувається у рам­ках проекту POSIX (Portable Operating System Interface). Найбільш важливим стандартом є POSIX 1003.1 [3], який описує набір бібліотечних процедур (таких, як відкриття файла, створення нового процесу тощо), котрі мають бути реалізовані в системі. Цей процес стандартизації триває дотепер, останньою редакцією стан­дарту є базова специфікація Open Group/IEEE [103]. Зазначені стандарти ві­дображають традиційний набір засобів, реалізованих в UNIX-сумісних системах.

Завдання забезпечення бінарної сумісності виникає тоді, коли потрібно за­пустити на виконання файл прикладної програми у середовищі іншої операцій­ної системи. Таке завдання значно складніше в реалізації, найпоширеніший під­хід до його розв'язання — емуляція середовища виконання. У цьому разі програма запускається під керуванням іншої програми — емулятора, який забезпечує ди­намічне перетворення інструкцій програми в інструкції потрібної архітектури. Прикладом такого емулятора є програма wine, яка дає можливість запускати про­грами, розроблені для Win32 АРІ, у середовищі Linux через емуляцію функцій Win32 АРІ системними викликами Linux.

 

2. 4. Особливості архітектури: UNIX і Linux

Базова архітектура UNIX

UNIX є прикладом досить простої архітектури ОС. Більша частина функціональ­ності цієї системи міститься в ядрі, ядро спілкується із прикладними програмами за допомогою системних викликів. Базова структура класичного ядра UNIX зобра­жена на рис. 2.3 (див., наприклад, [33, 59]).

 

Рис.2.3Архітектура UNIX

Cистема складається із трьох основних компонентів: підсистеми керування процесами, файлової підсистеми та підсистеми введення-виведення.

Підсистема керування процесами контролює створення та вилучення проце­сів, розподілення системних ресурсів між ними, міжпроцесову взаємодію, керу­вання пам'яттю.

Файлова підсистема забезпечує єдиний інтерфейс доступу до даних, розташо­ваних на дискових накопичувачах, і до периферійних пристроїв. Такий інтерфейс є однією з найважливіших особливостей UNIX. Одні й ті самі системні виклики використовують як для обміну даними із диском, так і для виведення на термінал або принтер (програма працює із принтером так само, як із файлом). При цьому файлова система переадресовує запити відповідним модулям підсистеми введен­ня-виведення, а ті - безпосередньо периферійним пристроям. Крім того, файлова підсистема контролює права доступу до файлів, які значною мірою визначають привілеї користувача в системі.

Підсистема введення-виведення виконує запити файлової підсистеми, взаємо­діючи з драйверами пристроїв. В UNIX розрізняють два типи пристроїв: сим­вольні (наприклад, принтер) і блокові (наприклад, жорсткий диск). Основна відмінність між ними полягає в тому, що блоковий пристрій допускає прямий доступ. Для підвищення продуктивності роботи із блоковими пристроями вико­ристовують буферний кеш - ділянку пам'яті, у якій зберігаються дані, зчитані з диска останніми. Під час наступних звертань до цих даних вони можуть бути от­римані з кеша.

Сучасні UNIX-системи дещо відрізняються за своєю архітектурою.

♦ У них виділено окремий менеджер пам'яті, відповідальний за підтримку вір­туальної пам'яті.

♦ Стандартом для реалізації інтерфейсу файлової системи є віртуальна файло­ва система, що абстрагує цей інтерфейс і дає змогу організувати підтримку різних типів файлових систем.

♦ У цих системах підтримується багатопроцесорна обробка, а також багатопото-ковість.

Базові архітектурні рішення, такі як доступ до всіх пристроїв введення-виве­дення через інтерфейс файлової системи або організація системних викликів, за­лишаються незмінними в усіх реалізаціях UNIX.

 

 

2.4.2. Архітектура Linux

В ОС Linux можна виділити три основні частини:

♦ ядро, яке реалізує основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, вве-денням-виведенням тощо);

♦ системні бібліотеки, що визначають стандартний набір функцій для вико­ристання у застосуваннях (виконання таких функцій не потребує переходу в привілейований режим);

♦ системні утиліти (прикладні програми, які виконують спеціалізовані задачі).