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 аппаратуру, промежуточный – ядро, а утилиты, обрабатывающие программы и приложения, составляют верхний слой системы (рис. 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.

22 1 – Утилиты, системные обрабатывающие

программы, библиотеки.

2 – Ядро ОС.

3 – Аппаратура.

Рис. 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. 7). На основе функций нижележащего слоя следующий (вверх по иерархии) слой строит свои функции – более сложные и более мощнее, 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 нижнему слою через межслойный интерфейс.

Такая организация системы имеет много достоинств. Она существенно упрощает разработку системы, т. к. 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 изменить модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях, если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы остаются в силе.

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 ОС 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. 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 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. Примером экранирующего слоя может служить слой HAL ОС Windows NT.

- Базовые механизмы ядра. Этот слой выполняет наиболее примитивные операции ядра, такие как программное переключение контекстов, 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 принятие “наверху” решения, что и дает повод называть их исполнительными механизмами для модулей верхних слоев. Например, решении 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

К слою k+2

k+1 k k k+1 k k

F1 (F1, F2, ...) F2 (F1, F2, ...)

….

Слой k+1.

k k-1 k-1 k k-1 k-1

F1 ( F1, F2, ...) F2 (F1, F2, …) ....Межслойный

интерфейс.

Слой k.

….

k-1 k-1

F1 ( ) f2 ()

К слою k-1

Рис. 7. Концепция многослойного взаимодействия.

- Менеджер ресурсов. Этот слой состоит из мощных функциональных модулей, реализующих стратегические задачи по управлению основными ресурсами вычислительной системы. Обычно на данном слое работают менеджеры (называемыми также диспетчерами) процессов, ввода-вывода, файловой системы и ОП. Разбиением на менеджеры может быть и несколько иным, например менеджер файловой системы иногда объединяют с менеджерами 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 соответствии с запросами приложений. Например, менеджер виртуальной памяти управляет перемещением страниц из ОП на диск и обратно. Менеджер должен отслеживать интенсивность обращении 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 нижнему слою базовых механизмов с запросом о загрузке (выгрузке) конкретных страниц. Внутри слоев менеджеров существует 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 ОС. Функции API, обслуживающие системные вызовы, предоставляют доступ к ресурсам системы в удобной и комфортной форме, без указания деталей их физического расположения. 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.

1– Аппаратура.

2 – Средства аппаратной поддержки ОС.

3 – Машинно-зависимые модули.

4 – Базовые механизмы ядра. 4 – Базовые механизмы ядра.

5 5 – Менеджеры ресурсов.

6 – Интерфейс системных вызовов.

Рис. 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 OC 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 использовать ресурсы, но и самостоятельно реализуют свои планы.

Возможна и противоположенная картина, когда ядро состоит из большого 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 системного прерывания. Этим приложение фактически вызывает модуль первичной обработки прерываний, который находится в слое базовых механизмов, а уже этот модель 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 ОС, прошедшие долгий путь эволюционного развития, например многие версии UNIX, имеют неупорядоченное ядро с небольшим числом четко выделенных слоев, а у сравнительно “молодых” ОС, таких как Windows NT, ядро разделено на большее число слоев и их взаимодействие формализовано в гораздо большей степени.