Ядро и вспомогательные модули ОС

Функциональная сложность ОС неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей.

Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение всех её модулей на две группы: 1) ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;

2) модули ОС, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.д. Ядро составляет самую главную часть ОС, без которой она является полностью неработоспособной и не может выполнять ни одну из своих функций. В ядре решаются внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, недоступные для приложений.

Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными модулями ОС.

Вспомогательные модули ОС выполняют не столь важные, как ядро, функции. Например, это могут быть программы архивирования данных, редактирования текстов и многое другое. Вспомогательные функции ОС, как правило, оформляются либо в виде пользовательских приложений, либо в виде библиотек процедур и функций.

Вспомогательные модули ОС, в свою очередь, делятся на следующие основные группы:

1) утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения вычислительной системы, например программы архивации данных;

2) системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики и другие программы, входящие в комплект поставки данной ОС;

3) программы предоставления пользователю дополнительных услуг – нестандартный вариант пользовательского интерфейса, включающий вспомогательные и даже игровые программы;

4) библиотеки процедур и функций различного назначения, облегчающие разработку пользовательских приложений, например библиотека математических функций, функций работы с устройствами ввода-вывода и т.д.

Вспомогательные модули ОС обычно загружаются в оперативную память вычислительной системы только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными модулями ОС.

Аппаратура компьютера должна иметь возможность работать как минимум в двух режимах – пользовательском режиме (user mode) и привилегированном режиме, который также называется режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode). В пользовательском режиме работы запрещено выполнение некоторых критичных для системы команд, связанных с переключением процессора между задачами, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

Повышение устойчивости и надежности ОС, обеспечиваемое за счет работы ядра в привилегированном режиме, тем не менее приводит к замедлению выполнения приложений, поскольку для переключения процессора из пользовательского режима в привилегированный и обратно требуется некоторое время.

«Классическая» архитектура ОС. Многослойная структура ОС

в ядре классической ОС выделяют следующие основные слои:

- средства аппаратной поддержки ОС, к которым относятся аппаратные средства системы, напрямую участвующие в вычислительном процессе: средства поддержки привилегированного режима и защиты областей памяти, система прерываний и т.д.

- машинно-зависимые компоненты ОС, включающие в себя программные модули, отражающие специфику аппаратной платформы компьютера.

- базовые механизмы ядра, выполняющие наиболее примитивные операции ядра, например контекстное переключение процессов, перемещение участков памяти на диск и обратно и т.д.

- менеджеры ресурсов, реализующие задачи по стратегическому управлению основными ресурсами вычислительной системы.;

-интерфейс системных вызовов непосредственно взаимодействует с приложениями и системными утилитами, образуя прикладной программный интерфейс операционной системы (API). Является самым верхним слоем в иерархи слоев ядра. Обслуживающие системные вызовы функции API предоставляют доступ к ресурсам вычислительной системы в удобной и компактной форме без указания деталей их физического расположения.

Микроядерная архитектура ОС. Основные положения микроядерной архитектуры

В отличие от традиционной архитектуры, согласно которой ОС представляет собой монолитное ядро, реализующее основные функции по управлению аппаратными ресурсами и организующее среду для выполнения пользовательских процессов, микроядерная архитектура распределяет функции ОС между микроядром и входящими в состав ОС системными сервисами, реализованными в виде процессов, равноправных с пользовательскими приложениями.

Главной особенностью данного подхода является то, что в привилегированном режиме остается работать только очень малая часть ОС, называемая соответственно микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и пользовательских приложений.