лекции СПО

Приложения мо ут о р щ ться к ядру с з прос ми — системными вызов ми — для выполнения тех или иных действий, н пример для открытия и чтения

используемыми функциями опер ционной системы, поэтому скорость их

компьютерной системе, и кр х ядр р вносилен кр ху всей системы. Поэтому

р зр отчики опер ционной системы уделяют осо ое вним ние н дежности

кодов ядр , в результ те процесс их отл дки может р стя ив ться н мно ие

месяцы.

О ычно ядро оформляется в виде про р ммно о модуля некоторо о

о яз тельные функции. Н пример, к т ким вспомо тельным модулям мо ут ыть отнесены про р ммы рхивиров ния д нных н м нитной ленте,

специ льный в ри нт пользов тельско о интерфейс , к лькулятор и д же и ры;

высокоуровневую функцию, дост точно р зр от ть новое приложение, и при

этом не тре уется модифициров ть ответственные функции, о р зующие ядро системы. Одн ко внесение изменений в функции ядр может ок з ться ор здо сложнее, и сложность эт з висит от структурной ор низ ции с мо о ядр . В

некоторых случ ях к ждое испр вление ядр может потре ов ть е о полной перекомпиляции.

Рис. 3.2. Вз имодействие между ядром и вспомо тельными модулями ОС

время выполнения своих функций, то есть являются тр нзитными. Постоянно в

4.2 Ядро в привилегированном режиме

вмеш ться в р оту ОС и, н пример, р зрушить ч сть ее кодов. Все усилия

возможности ез ведом ОС получ ть дополнительную о л сть п мяти,

з ним ть процессор дольше р зрешенно о опер ционной системой период времени, непосредственно упр влять совместно используемыми внешними

устройств ми.

О еспечить привиле ии опер ционной системе невозможно ез

специ льных средств пп р тной поддержки. Апп р тур компьютер должн поддержив ть к к минимум дв режим р оты — пользов тельский режим

(user mode) и привиле иров нный режим, который т кже н зыв ют режимом

именно ядро ст новится той ч стью ОС, котор я р от ет в привиле иров нном режиме (рис. 3.3). но д это свойство — р от в привиле иров нном режиме

— служит основным определением понятия «ядро».

Рис. 3.3. Архитектур опер ционной системы с ядром в привиле иров нном режиме

Приложения ст вятся в подчиненное положение з счет з прет выполнения в пользов тельском режиме некоторых критичных ком нд,

связ нных с переключением процессор с з д чи н з д чу, упр влением устройств ми ввод -вывод , доступом к мех низм м р спределения и з щиты п мяти. Выполнение некоторых инструкций в пользов тельском режиме

контроллеру жестко о диск , который хр нит д нные, о щие для ОС и всех приложений, но р зрешены при доступе к последов тельному порту, который выделен в монопольное вл дение для определенно о приложения. В жно, что условия р зрешения выполнения критичных инструкций н ходятся под полным

контролем ОС и этот контроль о еспечив ется з счет н ор инструкций,

езусловно з прещенных для пользов тельско о режим .

Ан ло ичным о р зом о еспечив ются привиле ии ОС при доступе к

п мяти. Н пример, выполнение инструкции доступ к п мяти для приложения р зреш ется, если инструкция о р щ ется к о л сти п мяти, отведенной

д нному приложению опер ционной системой, и з прещ ется при о р щении к

о л стям п мяти, з ним емым ОС или дру ими приложениями. Полный контроль ОС н д доступом к п мяти дости ется з счет то о, что инструкция

или инструкции конфи уриров ния мех низмов з щиты п мяти (н пример,

изменения ключей з щиты п мяти в мэйнфрейм х IBM или ук з теля т лицы дескрипторов п мяти в процессор х Pentium) р зреш ется выполнять только в

привиле иров нном режиме.

Очень в жно, что мех низмы з щиты п мяти используются

опер ционной системой не только для з щиты своих о л стей п мяти от приложений, но и для з щиты о л стей п мяти, выделенных ОС к кому-ли о

приложению, от ост льных приложений. Говорят, что к ждое приложение

р от ет в своем дресном простр нстве. Это свойство позволяет лок лизов ть

соответствия. Т к, н зе четырех уровней, о еспечив емых процессор ми комп нии Intel, опер ционн я систем OS/2 строит трехуровневую систему привиле ий, опер ционные системы Windows NT, UNIX и некоторые дру ие

ор ничив ются двухуровневой системой.

Сдру ой стороны, если пп р тур поддержив ет хотя ы дв уровня

привиле ий, то ОС может н этой основе созд ть про р ммным спосо ом сколь у одно р звитую систему з щиты.

Эт систем может, н пример, поддержив ть несколько уровней

привиле ий, о р зующих иер рхию. Н личие нескольких уровней привиле ий

позволяет олее тонко р спределять полномочия к к между модулями

опер ционной системы, т к и между с мими приложениями. Появление внутри

опер ционной системы олее привиле иров нных и менее привиле иров нных

внутри модулей с определенным уровнем привиле ий. Дифференци ция

сложную систему индивиду льной з щиты ресурсов, примером которой

пользов тельский (рис. 3.4). Во всех тип х процессоров из-з дополнительной двукр тной з держки переключения переход н процедуру со сменой режим выполняется медленнее, чем вызов процедуры ез смены режим .

приложениях пользов тельско о режим , ст л , по существу, кл ссической. Ее

одном и том же режиме.

4.3 Многослойная структура ОС

Вычислительную систему, р от ющую под упр влением ОС н основе ядр , можно р ссм трив ть к к систему, состоящую из трех иер рхически

р сположенных слоев: нижний слой о р зует пп р тур , промежуточный —

ядро, утилиты, о р тыв ющие про р ммы и приложения, сост вляют

верхний слой системы (рис. 3.6). Слоистую структуру вычислительной системы

принято изо р ж ть в виде системы концентрических окружностей,

иллюстрируя тот ф кт, что к ждый слой может вз имодействов ть только со смежными слоями. Действительно, при т кой ор низ ции ОС приложения не мо ут непосредственно вз имодействов ть с пп р турой, только через слой ядр .

Рис. 3.6. Трехслойн я схем вычислительной системы

про р ммных. В соответствии с этим подходом систем состоит из иер рхии

слоев. К ждый слой о служив ет вышележ щий слой, выполняя для не о

некоторый н ор функций, которые о р зуют межслойный интерфейс (рис. 3.7). Н основе функций нижележ ще о слоя следующий (вверх по иер рхии)

слой строит свои функции — олее сложные и олее мощные, которые, в свою

очередь, ок зыв ются примитив ми для созд ния еще олее мощных функций

вышележ ще о слоя. Стро ие пр вил к с ются только вз имодействия между

о р титься з помощью к нижележ щему слою через межслойный интерфейс.

ре лиз ции постепенно н р щив ть мощность функций слоев, дви ясь «снизу вверх». Кроме то о, при модерниз ции системы можно изменять модули внутри слоя ез нео ходимости производить к кие-ли о изменения в ост льных слоях,

если при этих внутренних изменениях межслойные интерфейсы ост ются в силе.

Рис. 3.7. Концепция мно ослойно о вз имодействия Поскольку ядро предст вляет со ой сложный мно офункцион льный

комплекс, то мно ослойный подход о ычно р спростр няется и н структуру ядр .

Ядро может состоять из следующих слоев:

Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор о опер ционной системе оворилось к к о комплексе про р мм, но, воо ще оворя, ч сть

функций ОС может выполняться и пп р тными средств ми. Поэтому ино д