Взаємодія ОС і виконуваного програмного коду

У роботі в режимі користувача часто необхідне виконання дій, реалізованих у ядрі ОС (наприклад, під час запису на диск із прикладної програми). Для цього треба забезпечити взаємодію коду режиму користувача та ОС. Розглянемо особливості такої взаємодії.

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 API i 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 API виглядає як сукупність таких пакувальників і додаткових функцій, реалізованих бібліотеками повністю або частково в режимі користувача. Це рішення прийняте за основу в UNIX; y 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 (API режиму користувача) і повністю сховати за ним набір системних викликів. Для програміста кожна функція такого API 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 API [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 API, 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 (API).

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 API, y середовищі Linux через емуляцію функцій Win32 API системними викликами Linux.

 

Архітектура: UNIX i 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, [3, 9]).

 

Система 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 багатопотоковість.

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.

 

Архітектура Linux

В ОС Linux можна виділити три основні частини:

· ядро, яке реалізує основні функції ОС (керування процесами, пам'яттю, введенням-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).