Структура операционной системы. Понятия ядра, пользовательского пространства, системных вызовов

2. Структура операционной системы.

Операционная система, сокр. ОС (operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Проще говоря, ОС - это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.

Все операционные системы можно классифицировать по задачам:

· ОС мэйнфреймов - предназначены для обслуживания мощных многопроцессорных или кластерных систем, ориентированы на одновременную работу с тысячами пользователей, направленность - web-приложения, базы данных и др.

· Серверные ОС - производят предоставление ресурсов удаленным пользователям (принтеры и др.), выполняют серверные приложения.

· ОС ПК - обеспечивают удобную работу одного пользователя и поддерживают работу с несколькими программами одновременно.

· ОС реального времени - главным параметром ОС данного типа является время. Направлены на обслуживание производств, систем слежения и наблюдения, воспроизведения аудио и видео информации.

· Встроенные ОС - направлены, как правило, на обслуживание небольших или узкоспециализированных устройств, имеют ограниченную функциональность и мощность, за счет упрощенности имеют высокую надежность работы и быстродействие.

Классификация по структуре:

Монолитные ОС - проектируется как набор программ, состоящий из модулей, скомпонованных в единое целое. Это набор процедур, предназначенных для выполнения различных функций. Любая задача может при необходимости вызвать любую процедуру.

1. Главная процедура - главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры. 2. Сервисная процедура - набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы. 3. Утилиты - Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура (например, читать из файла). Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам (например, для чтения и записи файла необходима утилита работы с диском).

Этапы обработки вызова:

· Принимается вызов.

· Выполняется переход из режима пользователя в режим ядра.

· ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен.

· После этого ОС обращается к таблице, содержащей ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей, богатство предоставляемых возможностей и функций, поддержка большого количества разнообразного оборудования.

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

Многоуровневые ОС - обобщение предыдущего подхода. ОС реализуется как иерархия уровней

Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы при возникновении прерывания или срабатывании таймера (обеспечивал базовую многозадачность процессора). Уровень 1 управлял памятью. Он выделял процессам пространство в оперативной памяти. ПО уровня 1 обеспечивало попадание страниц в оперативную память по мере необходимости. Уровень 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним. На уровне 4 работали пользовательские программы, которые не заботились ни о процессах, ни о памяти. На уровне 5 размещался процесс системного оператора.

Преимущества:

• Высокая производительность

Недостатки:

• Большой код ядра, и как следствие большое содержание ошибок
• Ядро плохо защищено от вспомогательных процессов

Многослойная классическая многоуровневая архитектура ОС не лишена своих проблем. Дело в том, что значительные изменения одного из уровней могут иметь трудно предвидимое влияние на смежные уровни. Кроме того, многочисленные взаимодействия между соседними уровнями усложняют обеспечение безопасности. Поэтому, как альтернатива классическому варианту архитектуры ОС, часто используется микроядерная архитектура ОС.