Микроядерная архитектура

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы.

Под классической архитектурой в данном случае понимается структурная организация ОС, в которой все основные функции операционной системы, составляющие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользовательскими программами (становясь системными утилитами или обрабатывающими программами). Каждое приложение пользовательского режима работает в собственном адресном пространстве и защищено тем самым от какого-либо вмешательства других приложений. Код ядра, выполняемый в привилегированном режиме, имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Приложения обращаются к ядру с запросами на выполнение системных функций.

Суть микроядерной архитектуры состоит в том, что в привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. При этом микроядро защищено как от остальных частей ОС, так и от приложений(Рис. 1).

Рис. 1. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство

Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

При этом в составе микроядра обычно остаются:

- машинно-зависимые модули;

- модули, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами;

- обработка прерываний;

- модули управления виртуальной памятью;

- модули управления пересылкой сообщений и управлению устройствами ввода-вывода;

- модули, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств.

Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме.

В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра — файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., — становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.

Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серверов, выглядит следующим образом (Рис. 2).

Рис. 2. Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре

Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ к адресным пространствам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посредника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС, обладая следующими достоинствами:

- высокой степенью переносимости, обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.

- Расширяемостью. В традиционных системах даже при наличии многослойной структуры нелегко удалить один слой и поменять его на другой по причине множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требует хорошего знания операционной системы и больших затрат времени. В то же время ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра открывает путь к упорядоченному росту и эволюции ОС. Добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра.

- Надежностью. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов операционной системы, что не наблюдается в традиционной ОС, где все модули ядра могут влиять друг на друга. И если отдельный сервер терпит крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальных серверов ОС. Другим потенциальным источником повышения надежности ОС является уменьшенный объем кода микроядра по сравнению с традиционным ядром – это снижает вероятность появления ошибок программирования.

- Поддержкой распределенных приложений. Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым: взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями. Серверы микроядерной ОС могут работать как на одном, так и на разных компьютерах. Переход к распределенной обработке требует минимальных изменений в работе операционной системы – просто локальный транспорт заменяется на сетевой.

Основным недостатком микроядерной архитектуры является невысокая производительность. При классической организации ОС (Рис. 3, а) выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации (Рис. 3, б) — четырьмя.

Рис. 3. Смена режимов при выполнении системного вызова

Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали.

Классическим примером микроядерной ОС является QNX (Neytrino).

В настоящее время именно операционные системы, построенные с использованием модели клиент-сервер и концепции микроядра, в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным ОС.