Многоуровневая модель UNIX

Ядро Юникс ОС

Пример реализации многоуровневоймоделиWindows: Структура Windows 2000

Виртуальные машины - разделение реальной машины на несколько виртуальных с предоставлением каждому пользователю своей машины. Сердце системы, называемое монитором виртуальной машины, работает с оборудованием и обеспечивает многозадачность, предоставляя верхнему слою не одну, а несколько виртуальных машин

Система с разделением времени обеспечивает

1) многозадачность

2) расширенную машину с более удобным интерфейсом, чем у простого оборудования.

Сущность VM/370 заключается в полном разделении этих двух функций. Основа системы - монитор виртуальных машин, запускается непосредственно на обычном оборудовании и обеспечивает многозадачность, предоставляя верхнему уровню не одну, а несколько виртуальных машин. Поскольку каждая машина идентична настоящему оборудованию, на каждой их них может работать любаяОС, которая запускается прямо на аппаратуре. На разных виртуальных машинах, зачастую, устанавливают разные ОС.

Они не поддерживают файлы и другие полезные свойства. Вместо этого они являются точной копией исходной аппаратуры, включающей режим ядра и пользователя, устройства ввода-вывода, прерывания и все остальное, что есть у настоящей машины.

Модель экзоядра - вариант виртуальной машины, при котором производится создание для каждого пользователя своей машины путем физического разделения реальной машины.

Экзоядро — ядро операционной системы компьютеров, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов.

Если предыдущие модели брали на себя максимум функций, принцип экзоядра, все отдать пользовательским программам. Такая операционная система должна обеспечить безопасное распределение ресурсов среди соревнующихся за них пользователей.

Самый нижний уровень, работающий в режиме ядра, — это программа под названием экзоядро.Задача состоит в распределении ресурсов между виртуальными машинами и затем в отслеживании попыток их использования, чтобы ни одна из машин не пыталась использовать чужие ресурсы.

Преимущество схемы экзоядра заключается в том, что она исключает уровень отображения (преобразования адресов для каждой ВМ). Экзоядру нужно лишь отслеживать, какой виртуальной машине, какие ресурсы были переданы. Такой подход имеет еще одно преимущество: он отделяет многозадачность (в экзоядре) от пользовательской операционной системы (в пространстве пользователя) с меньшими затратами.

Модель клиент-сервер - модель при которой на машине пользователя работает так называемое «микроядро» обеспечивающее минимальный набор функций, необходимый для общения с серверным процессом (в основном функции ввода-вывода), остальные задачи выполняет серверный процесс в режиме разделения времени.

Эта модель является средним между двумя предыдущими моделями. В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса задач из ядра в уровень пользовательских процессов, оставляя минимальное микроядро.

Суть этой архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В его состав входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые механизмы обычного ядра. Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются как модули, работающие в пользовательском режиме. Так, менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемой частью обычного ядра, становятся "периферийными" модулями, работающими в пользовательском режиме. Таким образом, в архитектуре с микроядром традиционное расположение уровней по вертикали заменяется горизонтальным.

Внешние по отношению к микроядру компоненты ОС реализуются как обслуживающие процессы. Между собой они взаимодействуют как равноправные партнеры с помощью обмена сообщениями, которые передаются через микроядро. Поскольку назначением этих компонентов ОС является обслуживание запросов приложений пользователей, утилит и системных обрабатывающих программ, менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, т.е. модулями, основным назначением которых является обслуживание запросов локальных приложений и других модулей ОС.

В этой модели вводятся два понятия:

• Серверный процесс (который обрабатывает запросы)

• Клиентский процесс (который посылает запросы)

В задачу ядра входит только управление связью между клиентами и серверами. Выполнение системного вызова сопровождается четырьмя переключениями режимов (4 t), в то время как в классической архитектуре – двумя. Следовательно, производительность ОС с микроядерной архитектурой при прочих равных условиях будет ниже, чем у ОС с классическим ядром.

Преимущества: малый код ядра и отдельных подсистем, и как следствие меньшее содержание ошибок. Ядро лучше защищено от вспомогательных процессов. Легко адаптируется к использованию в распределенной системе.

Недостатки: Уменьшение производительности.

3. Понятия ядра, пользовательского пространства, системных вызовов

Ядро (kernel) – низкоуровневая основа любой операционной системы, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память один раз и находится в памяти резидентно – постоянно, по одним и тем же адресам.

Ядро — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память, внешнее аппаратное обеспечение, внешнее устройство ввода и вывода информации. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам 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. Описанная задача может различаться в зависимости от типа архитектуры ядра и способа её реализации.

Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

В обычной современной операционной системе виртуальная память обычно разделяется на пространство ядра и пространство пользователя. Пространство ядра резервируется для работы ядра, расширений ядра, и некоторых драйверов устройств. В отличие от пространства ядра, пространство пользователя является областью памяти, в которой функционируют все приложения пользователя

Каждый процесс в пространстве пользователя обычно выполняется в собственной области виртуальной памяти, и при отсутствии явной необходимости, не может получить доступа к памяти, используемой другими процессами.

Системный вызов (англ. system call) — обращение прикладной программы к ядру операционной системы для выполнения какой-либо операции.

Системные вызовы (system calls) интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной системы, осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур, которые осуществляют прерывание процессора, после чего управление передается обработчику данного вызова, входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек сделать системный вызов похожим на обычный вызов подпрограммы.

Любой однопроцессорный компьютер одновременно может выполнить только одну команду. Когда процесс выполняет пользовательскую программу в режиме пользователя и нуждается в какой-нибудь услуге операционной системы, например в чтении данных из файла, он должен выполнить команду системного прерывания, чтобы передать управление операционной системе. Затем операционная система по параметрам вызова определяет, что именно требуется вызывающему процессу. После этого она обрабатывает системный вызов и возвращает управление той команде, которая следует за системным вызовом. В некотором смысле выполнение системного вызова похоже на выполнение особой разновидности вызова процедуры, с той лишь разницей, что системные вызовы входят в ядро, а процедурные — нет.

Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра (kernel mode). Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями. В этом режиме работает код ядра операционной системы. Таким образом, ядро операционной системы имеет полный доступ к памяти пользовательской программы, и при системном вызове достаточно передать адреса одной или нескольких областей памяти с параметрами вызова и адреса одной или нескольких областей памяти для результатов вызова. Системные вызовы:

• Управление процессами

• Управление файлами

• Управление каталогами и файловой системой

• Разные