Ядро и вспомогательные модули ОС

Наиболее общим подходом к архитектуре ОС является разделение всех ее модулей на 2 группы:

1) ядро — модули, выполняющие основные функции ОС;

2) ядро — модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и др. В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка страниц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Приложения могут обращаться к ядру с запросами — системными вызовами для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей и т.д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования — API. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными. Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.

Остальные модули ОС выполняют менее обязательные функции: архивирование, дефрагментацию, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотеки процедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то час­то бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями (рис. 1).

Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принима­ет производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это реше­ние, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.

Некоторая программа может существовать определенное время как пользова­тельское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот. Ярким примером такого изменения статуса программы является Web-браузер компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, затем стал частью операционных систем Windows NT 4.0 и Windows 95/98, а сегодня существует большая вероятность того, что по решению суда этот браузер снова превратится в самостоятельное приложение.

Рис. 1 – Нечеткость границы между ОС и приложениями

Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:

1) утилиты — программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождение компьютерной системы (программа сжатия дисков, архивирования и т.д.);

2) системные обрабатывающие программы — текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

3) библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т.д.

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, обрабатывающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредством системныхвызовов (рис. 2).

Рис. 2 – Взаимодействие между ядром и вспомогательными модулями ОС

Разделение ОС на ядро и модули-приложения обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифицировать ответственные функции, образующие ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации ядра. В некоторых случаях любое исправление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, т.е. являются транзитными. Постоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера. Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является ее возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.