Многослойная архитектура ОС и ее ядра.

 

Аппаратура

Ядро ОС

 

Утилиты, системные программы, библиотеки

 

 

Рис 4. Трехслойная схема вычислительной системы

 

Каждый слой обслуживается нижележащим слоем, на основе функций нижележащего слоя вышележащий слой строит свои функции. Взаимодействие между слоями регулируется строгими правилами, а связи внутри слоя могут быть произвольными.

 

Преимущества такой организации:

· упрощается разработка системы.

· упрощается модернизация.

 

Такой же подход обычно применяется и к ядру ОС. Ядро может состоять из следующих слоев:

 

· средства аппаратной поддержки компьютера, Это средства аппаратуры компьютера (процессор, память, контроллеры), которые прямо участвуют организации вычислительного процесса: средства поддержки привилегированного режима, система прерываний, средства переключения контекстов процессов.

· машино-зависимые компоненты ОС. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале данный слой должен полностью защищать (экранировать) вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры. Это позволяет разработать вышележащие слои на основе машино-независимых модулей, существующих единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ поддерживаемых данной ОС (т.е. переписывается не само ядро, а только аппаратно-зависимые модули, например, драйверы, которые работают с контроллерами).

· базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра: программное переключение контекстов, перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т.д. Модули данного слоя не принимают решений о распределении ресурсов, они выполняют решения, принятые на более высоких уровнях (т.е. они только исполняют).

· менеджеры ресурсов. Модули этого слоя выполняют стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на этом слое работают менеджеры (диспетчеры) процессов, ввода/вывода, файловой системы и оперативной памяти. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Для реализации принятых решений менеджер обращается к базовым механизмам ядра (выделить память, или создать файл).

· интерфейс систем вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя API ОС. Функции API предоставляют доступ к ресурсам ОС в удобной и компактной форме.

 

Рис 5. Многослойная структура ядра ОС.

 

Приведенное разбиение может быть достаточно условным. В реальной ОС число слоев и распределение функций между ними может быть и иным. Увеличение числа слоев ведет к замедлению работы ядра, за счет увеличения накладных расходов на нижеслойное взаимодействие, уменьшение ухудшает расширенность и логичность системы

Обычно ОС, прошедшие долгий путь эволюции (Unix), имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у сравнительно «молодых» ОС (WindowsNT), ядро разделено на большее число слоев и взаимодействие формализовано в гораздо большей степени.