Привілейований режим і режим користувача

Базові компоненти ОС, які відповідають за найважливіші її функції, зазвичай перебувають у пам'яті постійно і виконуються у привілейованому режимі, називають ядром операційної системи (operating system kernel).

Існуючі на сьогодні підходи до проектування архітектури ОС по-різному визначають функціональність ядра. До найважливіших функцій ОС, виконання яких звичайно покладають на ядро, належать обробка переривань, керування пам'яттю, керування введенням-виведенням. До надійності та продуктивності ядра висувають підвищені вимоги.

Основною характерною ознакою ядра є те, що воно виконується у привілейованому режимі. Розглянемо особливості цього режиму.

Для забезпечення ефективного керування ресурсами комп'ютера ОС повинна мати певні привілеї щодо прикладних програм. Треба, щоб прикладні програми не втручалися в роботу ОС, і водночас ОС повинна мати можливість втрутитися в роботу будь-якої програми, наприклад для перемикання процесора або розв'язання конфлікту в боротьбі за ресурси. Для реалізації таких привілеїв потрібна апаратна підтримка: процесор має підтримувати принаймні два режими роботи - привілейований (захищений режим, режим ядра, kernel mode) і режим користувача (user mode). У режимі користувача недопустимі команди, які є критичними для роботи системи (перемикання задач, звертання до пам'яті за заданими межами, доступ до пристроїв введення-виведення тощо).

Розглянемо, яким чином використовуються різні режими процесора під час взаємодії між ядром і застосуваннями.

Після завантаження ядро перемикає процесор у привілейований режим і отримує цілковитий контроль над комп'ютером. Кожне застосування запускається і виконується в режимі користувача, де воно не має доступу до ресурсів ядра й інших програм. Коли потрібно виконати дію, реалізовану в ядрі, застосування робить системний виклик (system call). Ядро перехоплює його, перемикає процесор у привілейований режим, виконує дію, перемикає процесор назад у режим користувача і повертає результат застосування.

Системний виклик виконується повільніше за виклик функції, реалізованої в режимі користувача, через те що процесор двічі перемикається між режимами. Для підвищення продуктивності в деяких ОС частина функціональності реалізована в режимі користувача, тому для доступу до неї системні виклики використовувати не потрібно.

Системне програмне забезпечення

Окрім ядра, важливими складниками роботи ОС є також застосування режиму користувача, які виконують системні функції. До такого системного програмного забезпечення належать:

· системні програми (утиліти), наприклад: командний інтерпретатор, програми резервного копіювання та відновлення даних, засоби діагностики й адміністрування;

· системні бібліотеки, у яких реалізовані функції, що використовуються у застосуваннях користувача.

Системне програмне забезпечення може розроблятися й постачатися окремо від ОС. Наприклад, може бути кілька реалізацій командного інтерпретатора, засобів резервного копіювання тощо. Системні програми і бібліотеки взаємодіють з ядром у такий самий спосіб, як і прикладні програми.

 

Монолітні системи

ОС, у яких усі базові функції сконцентровані в ядрі, називають монолітними системами. У разі реалізації монолітного ядра ОС стає продуктивнішою (процесор не перемикається між режимами під час взаємодії між її компонентами), але менш надійною (весь її код виконується у привілейованому режимі, і помилка в кожному з компонентів є критичною).

Монолітність ядра не означає, що всі його компоненти мають постійно перебувати у пам'яті. Сучасні ОС дають можливість динамічно розміщувати в адресному просторі ядра фрагменти коду (модулі ядра). Реалізація модулів ядра дає можливість також досягти його розширюваності (для додання нової функціональності досить розробити і завантажити у пам'ять відповідний модуль).

 

Багаторівневі системи

Компоненти багаторівневих ОС утворюють ієрархію рівнів (шарів, layers), кожен з яких спирається на функції попереднього рівня. Найнижчий рівень безпосередньо взаємодіє з апаратним забезпеченням, на найвищому рівні реалізуються системні виклики.

У традиційних багаторівневих ОС передача керування з верхнього рівня на нижній реалізується як системний виклик. Верхній рівень повинен мати права на виконання цього виклику, перевірка цих прав виконується за підтримки апаратного забезпечення. Прикладом такої системи є ОС Multics, розроблена в 60-ті роки. Практичне застосування цього підходу сьогодні обмежене через низьку продуктивність.

Рівні можуть виділятися й у монолітному ядрі; у такому разі вони підтримуються програмно і спричиняють спрощення реалізації системи. У монолітному ядрі визначають рівні, перелічені нижче.

· Засоби абстрагування від устаткування, які взаємодіють із апаратним забезпеченням безпосередньо, звільняючи від реалізації такої взаємодії інші компоненти системи.

· Базові засоби ядра, які відповідають за найфундаментальніші, найпростіші дії ядра, такі як запис блоку даних на диск. За допомогою цих засобів виконуються вказівки верхніх рівнів, пов'язані з керуванням ресурсами.

· Засоби керування ресурсами (або менеджери ресурсів), що реалізують основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, введенням-виведенням тощо). На цьому рівні приймаються найважливіші рішення з керування ресурсами, які виконуються з використанням базових засобів ядра.

· Інтерфейс системних викликів, який служить для реалізації зв'язку із системним і прикладним програмним забезпеченням.

Розмежування базових засобів ядра і менеджерів ресурсів відповідає відокремленню механізмів від політики в архітектурі системи. Базові засоби ядра визначають механізми функціонування системи, менеджери ресурсів реалізують політику.

 

Системи з мікроядром

Один із напрямів розвитку сучасних ОС полягає в тому, що у привілейованому режимі реалізована невелика частка функцій ядра, які є мікроядром (microkernel). Інші функції ОС виконуються процесами режиму користувача (серверними процесами, серверами). Сервери можуть відповідати за підтримку файлової системи, за роботу із процесами, пам'яттю тощо.

Мікроядро здійснює зв'язок між компонентами системи і виконує базовий розподіл ресурсів. Щоб виконати системний виклик, процес (клієнтський процес, клієнт) звертається до мікроядра. Мікроядро посилає серверу запит, сервер виконує роботу і пересилає відповідь назад, а мікроядро переправляє його клієнтові (рис. 2.1). Клієнтами можуть бути не лише процеси користувача, а й інші модулі ОС.

Перевагами мікроядрового підходу є:

· невеликі розміри мікроядра, що спрощує його розробку й налагодження;

· висока надійність системи, внаслідок того що сервери працюють у режимі користувача й у них немає прямого доступу до апаратного забезпечення;

· більша гнучкість і розширюваність системи (непотрібні компоненти не займають місця в пам'яті, розширення функціональності системи зводиться до додавання в неї нового сервера);

· можливість адаптації до умов мережі (спосіб обміну даними між клієнтом і сервером не залежить від того, зв'язані вони мережею чи перебувають на одному комп'ютері).

·

 

Головним недоліком мікроядрового підходу є зниження продуктивності. Замість двох перемикань режиму процесора у разі системного виклику відбувається чотири (два — під час обміну між клієнтом і мікроядром, два — між сервером та мікроядром).

Зазначений недолік є, швидше, теоретичним, на практиці продуктивність і надійність мікроядра залежать насамперед від якості його реалізації. Так, в ОС QNX мікроядро займає кілька кілобайтів пам'яті й забезпечує мінімальний набір функцій, при цьому система за продуктивністю відповідає ОС реального часу.

 

Концепція віртуальних машин

У системах віртуальних машин програмним шляхом створюють копії апаратного забезпечення (відбувається його емуляція). Ці копії (віртуальні машини) працюють паралельно, на кожній із них функціонує програмне забезпечення, з яким взаємодіють прикладні програми і користувачі.

Уперше концепція віртуальних машин була реалізована в 70-ті роки в операційній системі VM фірми IBM. У СРСР варіант цієї системи (VM/370) був широко розповсюджений у 80-ті роки і мав назву Система віртуальних машин ЄС ЕОМ (СВМ ЄС). Розглянемо архітектуру цієї ОС [8,4], що показана на рис. 2.2.

Ядро системи, яке називалося монітором віртуальних машин (VM Monitor, МВМ), виконувалося на фізичній машині, безпосередньо взаємодіючи з її апаратним забезпеченням. Монітор реалізовував набір віртуальних машин (ВМ). Кожна ВМ була точною копією апаратного забезпечення, на ній могла бути запущена будь-яка ОС, розроблена для цієї архітектури. Найчастіше на ВМ встановлювали спеціальну однокористувацьку ОС CMS (підсистема діалогової обробки, ПДО). На різних ВМ могли одночасно функціонувати різні ОС.

Коли програма, написана для ПДО, виконувала системний виклик, його перехоплювала копія ПДО, запущена на відповідній віртуальній машині. Потім ПДО виконувала відповідні апаратні інструкції, наприклад інструкції введення-виведення для читання диска. Ці інструкції перехоплював МВМ і перетворював їх на апаратні інструкції фізичної машини.

Віртуальні машини спільно використовували ресурси реального комп'ютера; наприклад, дисковий простір розподілявся між ними у вигляді віртуальних дисків, названих мінідисками. ОС, запущена у ВМ, використовувала мінідиски так само, як фізичні диски.

Сьогодні концепція віртуальних машин застосовується і в прикладному програмному забезпеченні; опис відповідних рішень (програмних емуляторів апаратного забезпечення, технології керованого коду) можна знайти на сайті супроводу.

Із означення ОС випливає, що вона реалізує зв'язок між апаратним забезпеченням комп'ютера (через інтерфейс апаратного забезпечення) і програмами користувача (через інтерфейс прикладного програмування). У цьому розділі розглянуто особливості реалізації та використання цих інтерфейсів.