Выбор архитектуры для конкретной задачи

Понимание архитектуры определенных операционных систем позволяет

Большинство UNIX систем построено на базе монолитного ядра. Такое ядро содержит все драйвера. Мы рассмотрим Linux систему. Отличие ядра Linux от остальных UNIX систем следующее:

- У Linux довольно простое ядро с хорошо структурированным

интерфейсом;

- Контроль за написанием ядра вел один человек - Linus

Torvalds, что не позволило появиться в ядре раздробленным

участкам;

- Исходные тексты ядра свободно распространяются.

ОС Linux

Монолитное ядро – представленное одной программой vmlinuz и файлом описание System.map. позволяет быстро загружать ОС. Поскольку копия ядра находится в памяти, в случае отказа жесткого диска ОС не упадет.

Ядро включает модули, каждый из которых отвечает за часть аппартного или программного обеспечения. Linux поддерживает статическую загрузку модулей (как в классических UNIX системах), так и динамическую, когда модули могут быть подгружены/выгружены (прилинкованы) при необходимости в любой момент времени. Модули размещены в директории /liub/modules.

Многопоточность на уровне ядра позволяет использовать scheduling. В любой момент времени выполнение ядерного процесса (нити) может быть остановлено и произведено переключение на другой процесс.

Многонитевость на уровне приложения позволяет использовать в полном объеме преимущества нитей (Lightweight processes), используя специальный вызов clone(). При этом нити используют общее адресное пространство, что позволяет не производить переключение контекста.

Многопрцессорность ядра позволяет использовать все преимущества многопроцессорных систем и Hyper-Threading (Несколько ядер на одном кристалле).

Потоковая (stream) подсистема ввода-вывода обеспечивает прекрасную совместимость между драйверами устройств, сетью и терминальными драйверами на уровне виртуальной файловой системы.

Рис.7 Архитектура Linux

Основные преимущества архитектуры Linux:

• Модульность. Все элементы ядра представляют собой модули, которые можно легко включать и исключать из рабочего ядра.
• Слабая зависимость от аппаратной платформы (Linux работает почти на всех существующих системах, включая игровые консоли или смартфоны).
• Динамическая загрузка модулей позволяет экономно расходовать оперативную память. При не использовании модуля, ядро автоматически производит его выгрузку, освобождая память для пользовательских процессов.

ОС MacOS

MacOS фирмы Apple Macintosh основана на концепции микроядра (microkernel, а значит, разработчики ОС постарались минимизировать объем кода, исполняемый в режиме супервизора, то есть в режиме, при котором код обладает возможностью прямого доступа ко всему аппаратному обеспечению и ко всей памяти. Естественно, что в таком случае только данный код может управлять работой всех устройств и предоставлять программам базовые сервисы, такие, как, например, выделение (или отказ в выделении) памяти, доступ к дисковой подсистеме и т. д. От работоспособности микроядра полностью зависит работоспособность компьютера в целом, поэтому к нему предъявляются достаточно высокие требования:

- высокая надежность,
- высокая производительность,
- небольшой объем кода (это особенно актуально для ОС реального времени).

Концепция микроядра подразумевает, что фактически все компоненты операционной системы, за исключением небольшого базового программного модуля (который и является микроядром), работают в пользовательском режиме на равных условиях со всеми остальными программами, работающими в системе. Очевидно, что отказоустойчивость всей системы при таком подходе возрастает, так как сбой одного из компонентов приводит к минимальному ущербу, при этом всегда остается возможность этот компонент перезапустить. Грубо говоря, если только ядро осталось после сбоя «живым», нажатие Ctrl+Alt+Del приведет к появлению аналога окна «Безопасность Windows» в Windows NT, с помощью функций которого можно решить большинство проблем, причем это произойдет немедленно, так как соответствующий поток процесса ядра при обычных условиях имеет наивысший приоритет.

Кроме всего прочего, система, основанная на концепции микроядра, позволяет производить более гибкое конфигурирование, так как любой из компонентов ОС можно легко заменить на другой, поддерживающий точно такой же программный интерфейс.

Рис.8 Архитектура MacOS

ОС Windows NT/2x

Microsoft Windows 2000/XP использует гибрид микроядра и монолитного дизайна, так как некоторые ее базовые компоненты, например, диспетчер процессов и диспетчер виртуальной памяти, все-таки функционируют в режиме ядра — это позволяет им взаимодействовать между собой не через медленные механизмы межпроцессорной передачи данных (передачи данных между несколькими программными процессами), а используя общую память. Вторая причина включения дополнительного кода в режим ядра кроется в том, что процессор, занятый выполнением некоторой задачи, реализуемой соответствующим процессом (или, как говорят, работающий в определенном контексте), работает с текущими значениями процессорных регистров, а также указателей на используемую память (стек, данные, исполняемый код). Эти значения различны для различных потоков, поэтому, прежде чем перейти на выполнение другой программы, реализуемой другим процессом, процессор должен сохранить текущий контекст, а затем загрузить контекст нового процесса, на выполнение которого он переключается. Данная процедура называется переключением контекста и может занимать существенное время. Использование гибридного дизайна позволяет снизить количество переключений контекста. Хотя, теоретически и это несколько, снижает надежность системы, все равно она оказывается не в пример больше, чем у Windows 9x. За счет полностью реализованного режима виртуальной машины микроядра обеспечиваются многие дополнительные возможности, недоступные, скажем, Windows 98. Это, в первую очередь, обеспечение приложениям индивидуального адресного пространства для каждого процесса и предоставление уровня защищенности не хуже, чем по стандарту C-2/Е-3, здесь ключевую роль играет то, что Windows 2000 отказывает процессам, обращающимся к оборудованию и памяти, которые им не принадлежат. Достигается это достаточно простыми методами, например, каждая страница в виртуальной памяти помечается тэгом, определяющим, в каком режиме должен работать процессор для чтения или записи данной страницы памяти. Таким образом, страницы системной памяти оказываются недоступными для всех процессов, не работающих в режиме ядра. При попытке выполнения любой запрещенной операции центральный процессор автоматически генерирует исключение, и управление передается микроядру NT. Микроядро определяет, разрешено вызвавшей исключение программе выполнять такую операцию, или нет. Если операция признана несанкционированной, управление передается программе Dr.Watson, которая оповещает о возникшей ошибке пользователя, а система в этот момент быстренько завершает работу приложения, попытавшегося выполнить незаконное с точки зрения ОС действие. Естественно, подобный алгоритм работы — это не особая и сверхгениальная разработка талантливых программистов из «Майкрософт», а хорошая реализация тех аппаратных возможностей «железа», которые появились в современных микропроцессорах.

- Ядро — это основная часть Windows 2000, в реализации которой кроется вся мощность и красота платформы NT/XP. Прежде всего, ядро отвечает за выделение памяти для приложений и распределение процессорного времени, то есть, фактически, за реализацию многозадачности. Для этого в состав ядра входит так называемый планировщик потоков (threads scheduler), который назначает каждому из потоков один из 32 уровней приоритета. Уровень 0 зарезервирован для системы. Уровни от 1 до 15 назначаются исполняемым программам, а уровни от 16 до 31 могут назначаться только администраторами. Планировщик делит все процессорное время на кванты фиксированного размера, при этом каждый программный поток выполняется только в течение отведенного ему времени, и если к окончанию кванта он не освобождает процессор, планировщик в принудительном порядке приостанавливает этот поток и меняет контекст процессора, настраивая его на выполнение другого потока, обладающего тем же приоритетом. Ядро также осуществляет всю работу, связанную с обработкой программных и аппаратных прерываний.

- Уровень абстракции оборудования (HAL) — это прослойка между операционной системой и аппаратурой компьютера. HAL имеет свой собственный API, предназначенный для транслирования обращений всех приложений и драйверов в конкретные команды процессора, учитывающие его внутреннюю структуру и нюансы работы. HAL и ядро написаны на языке низкого уровня, в то время как остальные компоненты ОС реализованы на языке C и C++, поэтому именно они отвечают за переносимость NT на системы с другой архитектурой. На данный момент Windows 2000 есть в версиях как для процессоров PC совместимых компьютеров (Pentium и старше), так и для нового перспективного семейства 64-битных процессоров EPIC (Itanium, Itanium-2).

- Диспетчер ввода-вывода (I/O Manager) — интегрирует добавляемые в систему драйверы устройств в операционную систему Windows 2000.

- Диспетчер объектов — служит для управления всеми разделяемыми ресурсами компьютера. В момент обращения приложения или службы к какому-либо ресурсу, диспетчер объектов сопоставляет этому ресурсу объект и отдает приложению дескриптор этого объекта. Используя дескриптор, приложение взаимодействует с объектом, совершая в его отношении различные операции. Монитор системы безопасности следит при этом за тем, чтобы с объектом выполнялись только разрешенные действия.

- Диспетчер процессов — предоставляет интерфейс, при помощи которого другие компоненты Windows NT Executive, а также приложения пользовательского режима могут манипулировать процессами и потоками. Во время работы диспетчер процессов сопоставляет каждому процессу и потоку идентификатор процесса (PID — Process Identifier) и потока (TID — Thread Identifier) соответственно, а также карту адресов и таблицу дескрипторов.

- Диспетчер виртуальной памяти — служит для управления и организации подсистемы памяти, позволяет создавать карты адресов для процессов и следит за корректностью использования адресного пространства приложениями (то есть, следит за общим доступом к памяти и осуществляет защиту страниц в режиме копирования при записи). Диспетчер виртуальной памяти также обеспечивает возможность отображения файлов на память, используемую для загрузки в оперативную память исполняемых файлов и файлов динамических библиотек. Еще в Windows NT4.0 существовала так называемая Защищенная Модель памяти, которая (в отличие от DOS-подобных ОС) позволяла изолировать каждый процесс друг от друга и, что самое главное, от кода самой ОС. Диспетчер виртуальной памяти представляет физическую память для пользовательских приложений таким образом, что каждому процессу выделяются отдельные 4Гб виртуального адресного пространства, из которых младшие 2Гб используются непосредственно процессом по своему усмотрению, а старшие 2Гб — отводятся под нужды системы, причем они — общие для всех процессов. При этом каждый процесс «думает», что он — единственный, запущенный в системе. Но здесь кроется некоторое затруднение: многие 16-разрядные программы при своей работе обмениваются данными между собой напрямую, используя одни и те же участки памяти, а это неприемлемо для Windows NT. В этом случае такие программы все же запускаются и предоставляют разделяемую память, где они могут обмениваться данными. Эта память является нестраничной областью физической памяти, которая может быть спроецирована на виртуальное адресное пространство нескольких процессов, и таким образом они смогут взаимодействовать друг с другом. Как мы видим, самое главное, чем занимается диспетчер виртуальной памяти — это видно из его названия — организация логической памяти, размер которой больше размера физической, установленной на компьютере. Этот трюк достигается благодаря тому, что страницы памяти, к которым долго не было обращений и которые не имеют атрибута неперемещаемых, сбрасываются диспетчером в файл pagefile.sys на винчестер и удаляются из оперативной памяти, освобождая ее для других приложений. В момент, когда происходит обращение к данным, находящимся в перемещенной на винчестер странице, диспетчер виртуальной памяти незаметно для приложения копирует страницу обратно в оперативную память, и только затем обеспечивает доступ к ней. Этот механизм обеспечивает выделение дополнительной памяти программам, которые нуждаются в ней, и при этом следит за тем, чтобы все работающие в системе программы обладали достаточным объемом физической памяти для того, чтобы продолжать функционирование.

- Диспетчер кэша — применение кэшированного чтения и записи позволяет существенно ускорить работу таких устройств, как винчестеры и CD-ромы. При этом наиболее востребованные файлы дублируются диспетчером кэша в оперативной памяти компьютера, и обращение к ним обслуживается с использованием этой копии, а не оригинала, расположенного на сравнительно медленном долговременном носителе. Кэш в Windows 2000 является единым для всех логических дисков, вне зависимости от используемой файловой системы, при этом теперь используется файлово-ориентированный, а не блочно-ориентированный алгоритм работы. Кроме того, он является динамическим, а это значит, что диспетчер управляет его размерами в зависимости от доступного объема свободной физической памяти в каждый конкретный момент.

- Win32 User и GDI — выполняют все функции, связанные с пересылкой системных сообщений и отображением информации на экране. До Windows NT 4 эти серверные компоненты функционировали в пользовательском режиме в качестве одной из составных частей подсистемы Win32.

- Другие (монитор обращений к системе безопасности, механизм локального вызова процедур, диспетчер конфигурации, диспетчер PnP, диспетчер электропитания, аппаратные драйверы и т. д.).

Остальные компоненты операционной системы выполняются в пользовательском режиме, часто их называют подсистемами. Например, в состав Windows 2000 входит подсистема безопасности и подсистемы, предоставляющие программам функции таких распространенных операционных сред, как DOS, OS/2, Win16, POSIX, а также Win32. Основное назначение операционной среды — предоставления интерфейса, а также эмуляция работы операционных систем, отличающихся от Windows 2000. Проще говоря, операционная среда добавляет в систему Windows 2000 дополнительные возможности и новые системные вызовы, отличающиеся от вызовов естественного API-ядра. Подсистемы операционных сред загружаются только в случае, если возникнет необходимость их использования. Каждая подсистема выполняется как отдельный процесс пользовательского режима. Таким образом, каждая подсистема защищена от сбоев, вызванных другими подсистемами, именно благодаря этому платформа Windows 2000 функционирует более стабильно, чем операционные системы линейки Windows 9x. Что кажется наиболее удивительным, Win32 API не является родным для Windows 2000, а реализован так же, как и, скажем, поддержка DOS API. Это замечание, однако, не совсем верно: естественный API очень похож на Win32 API, тем не менее, с ним несколько сложнее работать (между некоторыми функциями Win32 и некоторыми функциями естественного API может существовать взаимооднозначное соответствие, однако часть функций Win32 для выполнения своей задачи обращаются к нескольким функциям естественного API-ядра), кроме того, он не документирован. Поэтому, хоть приложению никто и ничто не помешает действовать в обход интерфейсов, пре-доставляемых операционными средами, и обращаться к естественному API напрямую, компания «

Рис.9 Архитектура MS Windows 2k

ГЛАВА 2