Структура операционной системы

Теперь, когда мы уже видели, как выглядят операционные системы снаружи (то есть мы знакомы с программным интерфейсом), самое время заглянуть внутрь. Чтобы получить представление обо всем спектре возможных вариантов, в сле­дующих разделах мы исследуем четыре различные использующиеся (или исполь­зовавшихся ранее) структуры. Исследование это нельзя назвать всесторонним, здесь лишь рассматриваются несколько моделей, применявшихся на практике в разных системах. Их четыре — монолитные системы, многоуровневые системы, виртуальные машины и модель клиент-сервер.

Монолитные системы

В общем случае организация монолитной системы представляет собой «большой беспорядок». То есть структура как таковая отсутствует. Операционная система написана в виде набора процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании такой техники каждая процедура систе­мы имеет строго определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая имеет возможность вызвать любую другую для выполнения некоторой необходимой для нее работы.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их в единый объектный файл с помощью компонов­щика. Здесь, по существу, полностью отсутствует сокрытие деталей реализации - каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, со­держащей модули, в которых большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально опре­деленные точки входа).

Однако даже такие монолитные системы могут иметь некоторую структуру. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым операционной систе­мой, параметры помещаются в строго определенные места — регистры или стек, после чего выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора.

Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра и передает управление операционной системе, что видно на шаге 1 рис. 1.12 (у большинства процессоров есть два режима работы: режим ядра, предназна­ченный для ОС, и пользовательский режим, в котором запрещен ввод/вывод и некоторые другие инструкции).

Затем операционная система проверяет параметры вызова, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен (шаг 2). После этого операцион­ная система обращается к таблице как к массиву с номером системного вызова в качестве индекса. В k-м элементе таблицы содержится ссылка на процедуру обработки системного вызова k (шаг 3 на рис. 1.12). После того, как работа завер­шена, управление возвращается в пользовательскую программу, которая продол­жит свою работу со следующего оператора (шаг 4).

Рис. 1.12. Выполнение системного вызова: 7 — пользовательская программа вызывает

прерывание; 2 — операционная система определяет номер процедуры обработчика;

3 — Операционная система вызывает обработчик; 4 — управление возвращается

в основную программу

Такая организация операционной системы предполагает следующую структуру:

1. Главная программа, которая вызывает требуемую служебную процедуру.
2. Набор служебных процедур, выполняющих системные вызовы.
3. Набор утилит, обслуживающих служебные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна служебная про­цедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким служебным процедурам. Деление процедур на три уровня показано на рис. 1.13.