Состав операционных систем

Большинство ОС состоят из трёх компонентов: загрузчика, ядра и интерфейса пользователя.

Загрузчик операционной системы - системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера (процедуры POST) и начальной загрузки.

Функции загрузчика:

- обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки);

- приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);

- загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);

- формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);

- передаёт управление ядру операционной системы.

       Примеры загрузчиков: NT Loader (Windows 2000, XP, 2003); Boot Manager (Windows Vista, 7, 8, 10 и т.д.); GRUB (Linux).

 

Ядро операционной системы

Ядро - центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов межпроцессного взаимодействия и обращения приложений к системным вызовам ОС.

АРХИТЕКТУРЫ ЯДЕР ОС.

Монолитное ядро предоставляет богатый набор абстракций оборудования. Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро - старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства: Незначительно выше скорость работы, упрощённая разработка модулей.

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требуют рекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра.

В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром, которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро - современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Большая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственное микроядро, а также разработки таких расширений.

Достоинства: устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры - высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки: передача данных между процессами требует накладных расходов.

Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы.

Экзоядро - ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. API для прикладных программ предоставляются внешними по отношению к ядру библиотеками.

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволяет эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД имеет доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро - архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу - обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний.

Гибридные ядра - это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как:

- переключение контекстов,

- загрузка/выгрузка станиц,

- обработка прерываний,

- поддержка приложений, создание для них так называемой прикладной программной среды.

Приложения могут обращаться к ядру с запросами - системными вызовами - для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д.

 

 

Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

       Объекты ядра ОС:

       - семафоры,

       - мьютексы,

       - процессы,

       - потоки,

       - файлы.

 

       Семафор (англ. semaphore) - объект, ограничивающий количество потоков, которые могут войти в заданный участок кода. Семафоры используются для синхронизации и защиты передачи данных через разделяемую память, а также для синхронизации работы процессов и потоков.

 Некоторые из проблем, которые могут решать семафоры:

- запрет одновременного выполнения заданных участков кода (критические секции);

- поочерёдный доступ к критическому ресурсу (важному ресурсу, для которого невозможен (или нежелателен) одновременный доступ);

- синхронизация процессов и потоков (например, можно инициировать обработку события отпусканием семафора).

Мьютекс (англ. mutex, от mutual exclusion – «взаимное исключение») - аналог одноместного семафора, служащий в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков.

Мьютекс отличается от семафора тем, что только владеющий им поток может его освободить, т.е. перевести в отмеченное состояние. Мьютексы - это один из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения. Они реализованы во многих ОС, их основное назначение - организация взаимного исключения для потоков из одного и того же или из разных процессов.

Мьютексы - это простейшие двоичные семафоры, которые могут находиться в одном из двух состояний - отмеченном или неотмеченном (открыт и закрыт соответственно). Когда какой-либо поток, принадлежащий любому процессу, становится владельцем объекта mutex, последний переводится в неотмеченное состояние. Если задача освобождает мьютекс, его состояние становится отмеченным.

Задача мьютекса - защита объекта от доступа к нему других потоков, отличных от того, который завладел мьютексом. В каждый конкретный момент только один поток может владеть объектом, защищённым мьютексом. Если другому потоку будет нужен доступ к переменной, защищённой мьютексом, то этот поток блокируется до тех пор, пока мьютекс не будет освобождён. Цель использования мьютексов - защита данных от повреждения в результате асинхронных изменений (состояние гонки), однако могут порождаться другие проблемы - например взаимная блокировка (клинч).