Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделятся на модули, имеющие законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы, а вот сложную систему, не обладающую хорошей структурой, но с понятной, логичной организацией бывает проще разработать заново, чем модернизировать. Качественная проработка структуры и внутренних межмодульных взаимодействий ОС является одной из важнейших задач, встающих перед разработчиками системы. Ошибки на этом этапе могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу системы.
Функциональная сложность ОС неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей.
Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Не существует какой-либо единой архитектуры, но есть универсальные подходы к структурированию ОС.
Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение всех её модулей на две группы:
1) ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;
2) модули ОС, выполняющие вспомогательные функции ОС.
Модули ядра выполняют такие базовые функции, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.д. Ядро составляет самую главную часть ОС, без которой она является полностью неработоспособной и не может выполнять ни одну из своих функций. В ядре решаются внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, недоступные для приложений. Особый класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системным вызовами для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API (Application Programming Interface).
В соответствии со своим назначением функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями ОС, поэтому скорость их выполнения влияет на общую производительность вычислительной системы. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными модулями ОС. Вследствие ограниченности такого ресурса системы, как оперативная память, важное значение имеет размер этих постоянно размещенных в памяти модулей. Если разработчик по каким-либо причинам сделает их слишком большими и громоздкими, то производительность ОС резко снизится, поскольку значительная часть ресурсов будет использоваться самой системой для обеспечения собственной работы.
Ядро – это основной элемент всех вычислительных процессов в системе, поэтому крах ядра приводит к краху всей вычислительной системы. Следовательно, разработчики ОС должны уделять надежности кодов ядра особое внимание, даже если при этом процесс их написания и отладки занимает очень длительное время. Как правило, ядро ОС оформляется в виде программного модуля специального формата, отличного от формата обычных пользовательских приложений.
Вспомогательные модули ОС выполняют не столь важные, как ядро, функции. Например, это могут быть программы архивирования данных, редактирования текстов и многое другое. Вспомогательные функции ОС, как правило, оформляются либо в виде пользовательских приложений, либо в виде библиотек процедур и функций. Вследствие того, что часть компонентов ОС разрабатывается в виде обычных приложений, имеющих стандартный для данной ОС формат, то зачастую очень сложно отделить вспомогательные модули ОС от обычных пользовательских приложений. По этой причине возникает некоторая размытость границ ОС. Решение о принадлежности какой-либо программы операционной системе принимает производитель ОС. Примером этого может являться web-браузер Internet Explorer компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, а впоследствии стал частью ОС Windows 98 и Windows NT 4.0.
Вспомогательные модули ОС, в свою очередь, делятся на следующие основные группы:
1) утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения вычислительной системы, например программы архивации данных, сжатия дисков, тестирования дисков;
2) системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики и другие программы, входящие в комплект поставки данной ОС;
3) программы предоставления пользователю дополнительных услуг – нестандартный вариант пользовательского интерфейса, включающий вспомогательные и даже игровые программы;
4) библиотеки процедур и функций различного назначения, облегчающие разработку пользовательских приложений, например библиотека математических функций, функций работы с устройствами ввода-вывода и т.д.
Как и обычные пользовательские приложения, все перечисленные группы вспомогательных модулей при выполнении своих задач обращаются к функциям ядра ОС. Схема взаимодействия ядра, вспомогательных модулей ОС и пользовательских приложений приведена на рисунке 1.
За счет разделения ОС на ядро и вспомогательные модули обеспечивается легкая расширяемость ОС. Действительно, для добавления новой высокоуровневой функции достаточно разработать соответствующее приложение, при этом не требуется модифицировать функции, составляющие ядро системы. С учетом того, что вспомогательные модули системы, как правило, оформляются в виде стандартных пользовательских приложений, их модификация или замена старых версий на более новые производится достаточно просто и может быть выполнена даже обычным пользователем с применением специальной системной утилиты – мастера обновлений. Достаточно только получить от производителя ОС файлы с обновленными модулями, запустить мастер обновления и указать ему расположение этих файлов. Гораздо более сложным является внесение изменений в функции ядра. Произвести такие действия по силам только квалифицированному специалисту, причем в зависимости от структурной организации ядра для этого может потребоваться даже полная его перекомпиляция.
Вспомогательные модули ОС обычно загружаются в оперативную память вычислительной системы только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными модулями ОС. Постоянно в оперативной памяти находятся лишь наиболее важные программы ОС, составляющие ее ядро. Применение подобной организации позволяет рационально использовать такой ресурс вычислительной системы, как оперативная память.
Требование обеспечения надежности выполнения приложений приводит к необходимости наличия у ОС некоторых привилегий. Необходимо предотвратить возможность вмешательства в работу ОС или разрушения какой-либо ее части вследствие выполнения некорректно работающих приложений. ОС должна обладать исключительными правами по отношению к другим приложениям. В мультипрограммных системах это просто необходимо для разрешения споров из-за ресурсов вычислительной системы между приложениями. Ни одно приложение не должно иметь возможности получать область оперативной памяти, занимать процессор или управлять другими ресурсами вычислительной системы без ведома ОС.
Несомненно, что обеспечение соответствующих привилегий ОС требует не только соответствующей программной, но и аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна иметь возможность работать как минимум в двух режимах – пользовательском режиме (user mode) и привилегированном режиме, который также называется режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). В пользовательском режиме работы запрещено выполнение некоторых критичных для системы команд, связанных с переключением процессора между задачами, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Некоторые команды в пользовательском режиме запрещено выполнять безусловно (например, команду перехода к привилегированному режиму работы), тогда как выполнение других запрещено только при определенных условиях. Однако контроль за выполнением этих условий находится в ведении ОС и обеспечивается за счет набора команд, которые безусловно запрещены для пользовательского режима. Например, контроль за доступом к памяти достигается за счет того, что команды конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме, при этом пользовательскому приложению запрещается обращение к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Таким образом становится возможной локализации некорректно работающего приложения в собственной области памяти, и его ошибки не влияют на остальные приложения и ОС.
Поддержка хотя бы двух уровней привилегий на уровне аппаратуры позволяет ОС программным путем построить многоуровневую иерархическую систему привилегий, обеспечивающую более качественное распределение полномочий между модулями ОС. Такой подход применяется для повышения устойчивости ОС к внутренним ошибкам программных кодов. Кроме того, многоуровневая система привилегий позволяет разработчикам ОС создавать более сложные алгоритмы управления вычислительным процессом с целью повышения рациональности использования разделяемых ресурсов.
Как уже было сказано, в ядре ОС осуществляются все основные функции. Вследствие этого именно ядро становится той частью ОС, которая выполняется в привилегированном режиме, а пользовательские приложения, соответственно, – в пользовательском режиме. Повышение устойчивости и надежности ОС, обеспечиваемое за счет работы ядра в привилегированном режиме, тем не менее приводит к замедлению выполнения приложений, поскольку для переключения процессора из пользовательского режима в привилегированный и обратно требуется некоторое, пусть и небольшое, время (рис. 2). Следовательно, во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.
Описанная выше архитектура, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала классической. Ее применяют многие популярные ОС, в том числе версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2.
В процессорах Intel, используемых в персональных компьютерах, возможность работы в привилегированном режиме появилась уже начиная с процессора 80286. Однако разработчики широко распространенной ОС MS-DOS не использовали это свойство и их ОС всегда работает в так называемом реальном режиме. Некорректно написанные приложения вполне могут разрушить основные модули MS-DOS, что приведет к краху системы.
Многослойная структура ОС
Любая ОС является комплексом аппаратных и программных средств со сложными внутрисистемными связями. Поэтому разработка подобных систем требует применения специальных подходов и методов, позволяющих хотя бы в какой-то мере облегчить процесс проектирования и уменьшить количество ошибок взаимодействия между различными компонентами системы.
Существует универсальный и эффективный подход к построению сложной системы любого типа – многослойный подход. В соответствии с ним система делится на иерархию слоев, каждый из которых обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, образующих так называемый межслойный интерфейс. Основываясь на функциях, предоставляемых нижележащим слоем, вышележащий слой строит свои более мощные функции, являющиеся основой для создания функций еще более высокого в иерархии слоя. Межслойные интерфейсы, с помощью которых происходит взаимодействие слоев, строго оговорены, тогда как связи между модулями внутри одного слоя могут быть произвольными.
Описанная организация системы существенно упрощает разработку, поскольку позволяет сначала определить “сверху вниз” функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно нарастить мощность функций слоев, двигаясь “снизу вверх”. Также важную роль играет возможность модификации модулей внутри слоя без изменения связанных с ним слоев при условии, что межслойные интерфейсы останутся неизменными. Разработчик, например, может усовершенствовать алгоритм какого-либо модуля одного из слоев, обеспечив тем самым повышение надежности или скорости его работы. При этом ему не придется вносить никаких изменений ни в один из выше или нижележащих слоев.
Если применить описанный подход к вычислительной системе, работающей под управлением ОС, построенной по классической архитектуре, то ее можно представить как систему, состоящую из трех иерархически связанных слоев, каждый из которых взаимодействует только со смежным ему слоем (рис. 3). При этом нижний слой составляет аппаратура, средний включает в себя ядро, а самый верхний – утилиты, системные обрабатывающие программы и приложения.
Однако не только система в целом, но и ядро ОС является сложным многофункциональным комплексом программ, а значит к нему, в свою очередь, также можно применить многослойный подход. Как правило, в ядре классической ОС выделяют следующие основные слои (рис. 4):
- средства аппаратной поддержки ОС, к которым относятся аппаратные средства системы, напрямую участвующие в вычислительном процессе: средства поддержки привилегированного режима и защиты областей памяти, система прерываний и т.д. Их можно считать составляющей частью ОС. Набор и функциональные возможности аппаратных средств могут меняться и определяются разработчиком конкретной системы;
- машинно-зависимые компоненты ОС, включающие в себя программные модули, отражающие специфику аппаратной платформы компьютера. Теоретически именно этот слой должен делать вышележащие слои ядра полностью независимыми от особенностей аппаратуры, что позволяет разрабатывать машинно-независимые вышележащие слои и обеспечивать тем самым возможность переносимости ОС;
- базовые механизмы ядра, выполняющие наиболее примитивные операции ядра, например контекстное переключение процессов, перемещение участков памяти на диск и обратно и т.д. Модули данного ядра не принимают решения о распределении ресурсов вычислительной системы, а только отрабатывают принятые вышележащими слоями решения;
- менеджеры ресурсов, реализующие задачи по стратегическому управлению основными ресурсами вычислительной системы. Слой состоит из сложных и мощных функциональных модулей. Каждый менеджер ресурсов (называемый также диспетчером) ведет учет свободных и используемых ресурсов соответствующего типа и планирует их распределение в соответствии с запросами приложений. Менеджер должен отслеживать интенсивность обращений к ресурсу, длительность его применения и многие другие параметры с целью рационального планирования использования ресурсов. Взаимосвязь модулей внутри данного слоя обусловлена необходимостью доступа процесса к нескольким ресурсам одновременно. Например, при создании процесса менеджер процессов обращается к менеджеру памяти, который должен выделить этому процессу определенную область памяти для размещения его кодов и данных. Для управления ресурсами менеджеры ресурсов используют функции нижележащего слоя – базовых механизмов ядра;
- интерфейс системных вызовов непосредственно взаимодействует с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы (API). Является самым верхним слоем в иерархи слоев ядра. Обслуживающие системные вызовы функции API предоставляют доступ к ресурсам вычислительной системы в удобной и компактной форме без указания деталей их физического расположения.
Приведенное деление ядра на слои является достаточно условным и в реальных ОС количество слоев, а также распределение функций между ними может быть несколько иным. Это обусловлено аппаратной платформой, для которой разрабатывается ОС, сферой использования ОС, соображениями разработчиков и т.п. Задача деления ядра на слои является крайне ответственной и важной. В самом деле, неоправданное увеличение числа слоев приводит к замедлению работы системы из-за увеличения времени межслойных взаимодействий. В целях ускорения работы ядра и ОС в целом разработчики могут прибегать к нарушению иерархии слоев, при этом возможны ситуации, когда вышележащий слой обращается к функциям нижних слоев, минуя промежуточные. Уменьшение количества слоев ядра оказывает отрицательное влияние на логичность и расширяемость ОС. Особенно сильно такие нарушения могут сказаться на переносимости ОС, если какой-либо из вышележащих слоев содержит машинно-зависимые функции. В этом случае особенности конкретной аппаратной платформы не локализуются в пределах одного из нижних слоев, и перенос такой системы с одного типа аппаратуры на другой является весьма трудновыполнимой задачей.
