Ядро в привилегированном режиме

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система 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 операционной системы окажутся напрасными, если их решения воплощены в незащищенные приложений модули системы, какими бы элегантными и эффективными эти решения ни были. Операционная система 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 операционной системой 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 операционная система 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 — работа в привилегированном режиме — служит основным определением понятия «ядро».

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 операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкция или инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти (например, изменения ключей защиты памяти в мэйнфреймах IBM или указателя таблицы дескрипторов памяти в процессорах Pentium) разрешается выполнять только в привилегированном режиме.

Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной системой 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 операционную систему. 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 операционной системы 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, например, 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 операционной системы, 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 режимав 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.

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 операционная система 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.

В одном режиме работают также ядро и приложения тех операционных систем, 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 многих подобных ей ранних операционных систем для персональных компьютеров, таких как MSX, СР/М) и не предъявляла высоких требований к надежности ОС.

***************************************************************

Суть микроядерной архитектуры состоит в том, что в привилегированном режиме работает только микроядро, в состав которого входят машинно-зависимые модули и часть базовых функций ядра. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователем. Исключительные ситуации обслуживания приложением запросов других приложений обрабатываются специальными модулями, называемыми серверами ОС, поэтому необходимым условием реализации микроядерной архитектуры является наличие эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого процесса. Поддержка этого механизма – главная задача микроядра. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре изображена на рис. 6.

Клиент, которым может быть любая прикладная программа (1) либо другой компонент ОС (2), запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, работающее в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из приложений, поэтому выступает в роли проводника (архитектура клиент-сервер).

Преимущества микроядерной архитектуры:

1. Высокая мобильность;

2. Высокая степень расширяемости (конфигурируемость ОС упрощается);

3. Повышение надёжности – каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти, и, таким образом, защищён от других серверов; так как код микроядра меньше, чем код ядра, то и отлаживать его легче.

Недостаток микроядерной архитектуры состоит в снижении производительности примерно на 40% по сравнению с классической архитектурой.

Многие современные операционные системы совмещают в себе свойства систем разных типов. Например, часть задач исполняется в режиме разделе­ния времени, а часть — в режиме реального времени.

При классификации по типу ядра основываются на разновидностях архитектуры ядра, приведенных ниже:

· Монолитное ядро. Такое ядро компонуется как одна программа, работаю­щая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую (рис. 4, а).

· Слоистое ядро. В этом случае компоненты операционной системы обра­зуют уровни с хорошо продуманной функциональностью и интерфейсом. Как и в предыдущем случае, компоненты работают в привилегированном режиме (рис. 4, б).

· Микроядро. Микроядро выполняет минимум функций по управлению ап­паратурой. Обычно в него включаются машинно-зависимые программы, некоторые функции управления процессами и обработка прерываний. Функции более высокого уровня выполняют специализированные ком­поненты операционной системы — сервер процессора, файловый сервер и т. п. Эти компоненты работают в пользовательском, непривилегиро­ванном режиме. Данная архитектура основана на подходе "клиент-сер­вер" и характеризуется переносимостью, расширяемостью и надежностью (рис. 4, в).

· Экзоядро. Основная идея данной архитектуры заключается в том, что операционную систему можно собрать, подобно сборке программы, с ис­пользованием большой библиотеки функций. В результате она будет включать лишь минимально необходимый набор для некоторой совокуп­ности приложений. Этот тип архитектуры ядра сейчас набирает популяр­ность.

Отметим, что архитектура ядра в значительной степени влияетна всю архи­тектуру операционной системы.

Рис. 4. Классификация по типу архитектуры ядра