Примечание. Термин «ядро» в разных ОС трактуется по-разному. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме.

Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте, дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между ОС и приложениями (рис. 3.1). Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принимает производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это решение, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.

Некоторая программа может существовать определенное время как пользовательское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот. Ярким примером такого изменения статуса программы является Web-браузер компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, затем стал частью ОС Windows NT 4.0 и Windows 95/98, а сегодня существует большая вероятность того, что этот браузер снова превратится в самостоятельное приложение.

Рис. 3.1. Нечеткость границы между ОС и приложениями

 

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

§ утилиты — программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных;

§ системные обрабатывающие программы — текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

§ программы предоставления пользователю дополнительных услуг — специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор, игры;

§ библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т. д.

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов (рис. 3.2).

Разделение операционной системы на ядро и модули-приложения обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать ответственные функции, образующие ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации самого ядра. В некоторых случаях каждое исправление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.

 

Рис. 3.2.Взаимодействие между ядром и вспомогательными модулями ОС

 

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Постоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.

Для надежного управления ходом выполнения приложений ОС должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Все усилия разработчиков ОС окажутся напрасными, если их решения воплощены в незащищенные от приложений модули системы, какими бы элегантными и эффективными эти решения ни были. ОС должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного ОС периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами.

Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы — пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что ОС или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения — в пользовательском режиме.

Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме
(рис. 3.3). Иногда это свойство и служит основным определением понятия «ядро».

 

Рис. 3.3. Архитектура операционной системы с ядром в привилегированном режиме

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях. Например, инструкции ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и всех приложений, но разрешены при доступе к последовательному порту, который выделен в монопольное владение для определенного приложения. Важно, что условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС и этот контроль обеспечивается за счет набора инструкций, безусловно запрещенных для пользовательского режима.

Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разрешается, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному приложению ОС, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме.

Очень важно, что механизмы защиты памяти используются ОС не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от остальных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и ОС.

Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых ОС, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой. С другой стороны, если аппаратура поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты.

Эта система может, например, поддерживать несколько уровней привилегий, образующих иерархию. Наличие нескольких уровней привилегий позволяет более тонко распределять полномочия как между модулями операционной системы, так и между самими приложениями. Появление внутри ОС более привилегированных и менее привилегированных частей позволяет повысить устойчивость ОС к внутренним ошибкам программных кодов, так как такие ошибки будут распространяться только внутри модулей с определенным уровнем привилегий. Дифференциация привилегий в среде прикладных модулей позволяет строить сложные прикладные комплексы, в которых часть более привилегированных модулей может получать доступ к данным менее привилегированных модулей и управлять их выполнением.

На основе двух режимов привилегий процессора ОС может построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, примером которой является типичная система защиты файлов и каталогов. Такая система позволяет задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и каталогов.

Повышение устойчивости ОС, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению — переключение из привилегированного режима в пользовательский (рис. 3.4). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.

Рис. 3.4. Смена режимов при выполнении системного вызова
к привилегированному ядру

 

Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала по существу классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2, и с определенными модификациями — Windows NT.

В некоторых случаях разработчики ОС отступают от этого классического варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. Так, известная специализированная ОС NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/ Pentium как для работы ядра, так и для работы своих специфических приложений — загружаемых модулей NLM (рис. 3.5). При таком построении ОС обращения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения режимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Разработчики NetWare пошли на такое потенциальное снижение надежности своей операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализированных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения.

Рис. 3.5. Упрощенная архитектура операционной системы NetWare

 

В одном режиме работают также ядро и приложения тех ОС, которые разработаны для процессоров, вообще не поддерживающих привилегированного режима работы. Наиболее популярным процессором такого типа был процессор Intel 8088/86, послуживший основой для персональных компьютеров компании IBM. Операционная система MS-DOS, разработанная компанией Microsoft для этих компьютеров, состояла из двух модулей msdos.sys и io.sys, составлявших ядро системы (хотя название «ядро» для этих модулей не употреблялось, по своей сути они им являлись), к которым с системными вызовами обращались командный интерпретатор command.com, системные утилиты и приложения. Архитектура MS-DOS соответствует архитектуре ОС, приведенной на рис. 3.2. Некорректно написанные приложения вполне могли разрушить основные модули MS-DOS, что иногда и происходило, но область использования MS-DOS и не предъявляла высоких требований к надежности ОС.

Появление в более поздних версиях процессоров Intel (начиная с 80286) возможности работы в привилегированном режиме не было использовано разработчиками MS-DOS. Эта ОС всегда работает на процессорах данного типа в так называемом реальном режиме, в котором эмулируется процессор 8086/88. Не следует считать, что реальный режим является синонимом пользовательского режима, а привилегированный режим — его альтернативой. Реальный режим был реализован только для совместимости поздних моделей процессоров с ранней моделью 8086/88 и альтернативой ему является защищенный режим работы процессора, в котором становятся доступными все особенности процессоров поздних моделей, в том числе и работа на одном из четырех уровней привилегий.

Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, работающую под управлением ОС на основе ядра, можно рассматривать как систему, состоящую из трех иерархически расположенных слоев: нижний слой образует аппаратура, промежуточный — ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы (рис. 3.6). Слоистую структуру вычислительной системы принято изображать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями. Действительно, при такой организации ОС приложения не могут непосредственно взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.

 

Рис. 3.6. Трехслойная схема вычислительной системы

 

Многослойный подход является универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа, в том числе и программных.В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс (рис. 3.7). На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции — более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя. Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу либо самостоятельно, либо обратиться к другому модулю своего слоя, либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.

Такая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». Кроме того, при модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе.

Рис. 3.7. Концепция многослойного взаимодействия

 

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев:

§ Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но, вообще говоря, часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэтому иногда можно встретить определение ОС как совокупности программных и аппаратных средств, что и отражено на рис. 3.8. К ОС относят, естественно, не все аппаратные устройства компьютера, а только средства аппаратной поддержки ОС, то есть те, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т. п.

§ Машинно-зависимые компоненты ОС. Этот слой образуют программные модули, в которых отражается специфика аппаратной платформы компьютера. В идеале этот слой полностью экранирует вышележащие слои ядра от особенностей аппаратуры. Это позволяет разрабатывать вышележащие слои на основе машинно-независимых модулей, существующих в единственном экземпляре для всех типов аппаратных платформ, поддерживаемых данной ОС.

§ Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра, такие как программное переключение контекстов процессов, диспетчеризацию прерываний, перемещение страниц из памяти на диск и обратно и т. п. Модули данного слоя не принимают решений о распределении ресурсов — они только отрабатывают принятые «наверху» решения, что и дает повод называть их исполнительными механизмами для модулей верхних слоев. Например, решение о том, что в данный момент нужно прервать выполнение текущего процесса А и начать выполнение процесса В, принимается менеджером процессов на вышележащем слое, а слою базовых механизмов передается только директива о том, что нужно выполнить переключение с контекста текущего процесса на контекст процесса В.

§ Менеджеры ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (называемые также диспетчерами) процессов, ввода-вывода, файловой системы и оперативной памяти. Разбиение на менеджеры может быть и несколько иным, например менеджер файловой системы иногда объединяют с менеджером ввода-вывода, а функции управления доступом пользователей к системе в целом и ее отдельным объектам поручают отдельному менеджеру безопасности. Каждый из менеджеров ведет учет свободных и используемых ресурсов определенного типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Например, менеджер виртуальной памяти управляет перемещением страниц из оперативной памяти на диск и обратно. Менеджер должен отслеживать интенсивность обращений к страницам, время пребывания их в памяти, состояния процессов, использующих данные, и многие другие параметры, на основании которых он время от времени принимает решения о том, какие страницы необходимо выгрузить и какие — загрузить. Для исполнения принятых решений менеджер обращается к нижележащему слою базовых механизмов с запросами о загрузке (выгрузке) конкретных страниц. Внутри слоя менеджеров существуют тесные взаимные связи, отражающие тот факт, что для выполнения процессу нужен доступ одновременно к нескольким ресурсам — процессору, области памяти, возможно, к определенному файлу или устройству ввода-вывода. Например, при создании процесса менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить процессу определенную область памяти для его кодов и данных.

§ Интерфейс системных вызовов. Этот слой является самым верхним слоем ядра и взаимодействует непосредственно с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и компактной форме, без указания деталей их физического расположения. Например, в операционной системе UNIX с помощью системного вызова
fd = open("/doc/a.txt", 0_RDONLY) приложение открывает файл a.txt, хранящийся в каталоге /doc, а с помощью системного вызова read(fd, buffer, count) читает из этого файла в область своего адресного пространства, имеющую имя buffer, некоторое количество байт. Для осуществления таких комплексных действий системные вызовы обычно обращаются за помощью к функциям слоя менеджеров ресурсов, причем для выполнения одного системного вызова может понадобиться несколько таких обращений.

Рис. 3.8. Многослойная структура ядра ОС

 

Приведенное разбиение ядра ОС на слои является достаточно условным. В реальной системе количество слоев и распределение функций между ними может быть и иным. В системах, предназначенных для аппаратных платформ одного типа, например ОС NetWare, слой машинно-зависимых модулей обычно не выделяется, сливаясь со слоем базовых механизмов и, частично, со слоем менеджеров ресурсов. Не всегда оформляются в отдельный слой базовые механизмы — в этом случае менеджеры ресурсов не только планируют использование ресурсов, но и самостоятельно реализуют свои планы.

Возможна и противоположная картина, когда ядро состоит из большего количества слоев. Например, менеджеры ресурсов, составляя определенный слой ядра, в свою очередь, могут обладать многослойной структурой. Прежде всего это относится к менеджеру ввода-вывода, нижний слой которого составляют драйверы устройств, например драйвер жесткого диска или драйвер сетевого адаптера, а верхние слои — драйверы файловых систем или протоколов сетевых служб, имеющие дело с логической организацией информации.

Способ взаимодействия слоев в реальной ОС также может отклоняться от описанной выше схемы. Для ускорения работы ядра в некоторых случаях происходит непосредственное обращение с верхнего слоя к функциям нижних слоев, минуя промежуточные. Типичным примером такого «неправильного» взаимодействия является начальная стадия обработки системного вызова. На многих аппаратных платформах для реализации системного вызова используется инструкция программного прерывания. Этим приложение фактически вызывает модуль первичной обработки прерываний, который находится в слое базовых механизмов, а уже этот модуль вызывает нужную функцию из слоя системных вызовов. Сами функции системных вызовов также иногда нарушают субординацию иерархических слоев, обращаясь прямо к базовым механизмам ядра.

Выбор количества слоев ядра является ответственным и сложным делом: увеличение числа слоев ведет к некоторому замедлению работы ядра за счет дополнительных накладных расходов на межслойное взаимодействие, а уменьшение числа слоев ухудшает расширяемость и логичность системы. Обычно операционные системы, прошедшие долгий путь эволюционного развития, например многие версии UNIX, имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у сравнительно «молодых» операционных систем, таких как Windows NT, ядро разделено на большее число слоев и их взаимодействие формализовано в гораздо большей степени.