Лекція №3

Функціональна складність операційної системи -> складність її архітектури.

Звичайний склад ОС:

• Виконувані та об’єктивні модулі стандартних для даної ОС форматів

• Бібліотеки різних типів

• Модули вихідного тексту програм

• Програмні модулі спеціального формату

• Конфігураційні файли

• Файли документації

• Модулі довідкової системи

• Інші файли

Звичайний принцип побудови ОС

Розподіл усіх її модулів на дві групи: ядро – модулі, що виконують основні функції ОС; модулі, що виконують додаткові функції ОС.

Функції ядра! Повікіпедити.

Додаткові модулі ОС зазвичай поділяються на такі групи:

• Утиліти – програми, що розв’язують окремі задачі управління і супроводу комп’ютерної системи, влпдрідлпрі

• Системні програми опрацювання

• Бібліотеки процедур

• Прикладні програми користувачів

Відмінності привілегійованого і користувацького режиму роботи:

• Заборона виконання у користувацькому режимі декотрих критичних команд, пов’язаних з перемиканням процесора з задачі на задачу…

• Ван моар.

Багатошаровий підхід

• Система складається з ієрархії шарів, кожен з них відповідає за виконання функцій певного рівня ієрархії

• Кожен шар обслуговує вищий, виконуючи для нього декотрий набір функцій, котрі створюють міжшаровий інтерфейс

Ю…

Переваги такого підходу:

• Значно спрощується розробка системи (спочатку «зверху-вниз» - визначаються функції слоїв і міжсло… інтерфейси, а потім навпаки – реалізація чогось)

• Проста модернізація

Багатошарова структура ядра ОС: апаратура – засоби апаратної підтримки ОС – машинно-залежні модулі (програмні модулі, що відображаються специфіку апаратного модуля комп’ютера; у ідеалі має повністю екранувати особливості апаратури) – базові механізми ядра (виконує найбільш примітивні операції ядра, такі як програмне перемикання контекстних процесів, стилізація переривання тощо) – менеджери ресурсів (складається з потужних функціональних модулів, реалізує стратегічні задачі керування основними ресурсами; усередині цього шару існують тісні взаємні зв’язки) – інтерфейс системних викликів (взаємодіє безпосередньо з прикладними програмами та системними утилітами, створюючи прикладний програмний інтерфейс)

Шари ядра – траляляляляляляляляляляля

Класична архітектура (на базі ядра). Висновки:

• Усі основні функції ОС, що складають багатошарове ядро, виконуються у привілегійованому режимі.

• Деякі додаткові функції ОС оформляються у вигляді за стосунків і виконуються у користувацькому режимі поруч із звичайними користувацькими програмами (стаючи системними утилітами бао опрацьовуючи ми програмами).

• Кожна прикладна програма користувацького режиму працює у власному адресному просторі і захищена тим самим від якого-небудь втручання інших прикладних програм.

• Код ядра, ….

Лекція №4

Багато ОС успішно працюють на апаратних платформах без існуючих змін у своєму складі. Це пояснюється тим, що хоч деталі засобів різняться…. У результаті, у ОС можна виділити достатньо компактний шар машинно-залежних компонентів ядра і зробити основні шари ОС загальними для різних платформ. Чіткої межі між апаратною та програмною організацією не існує.

Типовий набір апаратної підтримки ОС:

1. Засоби підтримки привілегійованого – основано на системному регістрі процесора, що містить деякі ознаки, що визначають режим роботи процесора, у тому числі і поточний режим; + визначає допустимий…

2. Засоби трансляції адрес – виконує операції перетворення віртуальних адрес, що знаходяться у коді процесора, у адреси фізичної пам’яті; таблиця адрес міститься у оперативній пам’яті, а апаратура містить лише вказівники на ці адреси

3. Засіб переключення процесора – призначений для швидкого збереження контексту процесу, призупиняючи його, і швидкого відновлення контексту процесу, який стає активним

4. Система переривання – дозволяє комп’ютеру реагувати на зовнішні події, синхронізувати виконання процесів, роботу пристроїв введення-виведення, переходити з однієї програми на іншу; при виникненні умов переривання його джерело подає сигнал, що перериває виконання процесу і викликає автоматичний перехід на зараннє визначену процедуру (процедуру обробки переривання)

5. Системний таймер – часто реалізується у вигляді швидкодіючого лічильника; необхідний ОС, щоб витримувати задані інтервали часу

6. Засіб захисту областей пам’яті – забезпечує на апаратному рівні перевірку можливостей програмного коду, здійснює з даними у певних областях такі операції як запис, читання, виконання

Машинно-залежні компоненти ОС

Одна й та сама ОС не може без будь-яких змін встановлюватися на комп’ютер, що відрізняється або типом процесору, або способом організації обчислювального процесу, або і тим і іншим. У модулях ядра ОС не можуть не відобразитися такі особливості апаратних платформ як тип переривання, формат таблиці посилань на процедури обробки переривань, системні регістри і т.д. Одначе, ядро ОС можна спроектувати таким чином, що лише частина модулів буде машинно-залежною, а решта – машинно-незалежною. Для зменшення кількості машинно-залежних модулів виробники ОС зазвичай обмежують універсальність машинно-незалежних модулів.

Переносимість… тре:

1. Більша частина коду має бути написана на мові, трансляція якого є на усіх машинах, на які передбачається перенести ОС

2. Об’єм машинно-залежних частин коду має, по можливості, бути мінімізованим

3. Апаратно-залежний код має бути локалізований у декількох модулях

Мікроядерна архітектура – альтернатива класичному способу побудови ядра. Її суть полягає у наступному: у привілегійованому режимі лишається працювати лише дуже невелика частина ОС, що називається мікроядром. Воно захищене від інших частин ОС… У його склад входять …. , а також процедури для пересилання повідомлень. Функції мікроядра зазвичай відповідають шарам базових механізмів звичайного ядра. Усі інші, більш високо рівневі функції ядра, оформлюються у вигляді прикладних програм, що працюють у користувацькому режимі. Менеджери ресурсів, що працюють у користувацькому режимі, мають принципіальну відмінність від традиційних системних утиліт і прикладних програм.. : вони зазвичай називаються серверами ОС, тобто, модулями, основним призначенням яких є обслуговування запитів локальних застосувань та інших модулів ОС.

Переваги і недоліки ядерної архітектури

ОС, основана на концепції мікроядра, …. +висока степінь застосування виконання вимог ОС… Короче, максимально відповідає сучасним вимогам, та:

1. Висока степінь переносимості обумовлення тим, що машинно-залежний код ізольовано у мікроядрі, тому для .. системи треба менше змін, і усі вони логічно груповані

2. Здатність до розширення притаманна, у високій степені; обумовлена, знову ж таки, архітектурою

3. Використання мікроядерної архітектури підвищує надійність ОС

Але:

4. Зниження продуктивності - при системному виклику відбувається 4х-кратна затримка (звичайне ядро – 2х-кратна)

Сумісність ОС – можливість запускати за стосунки у даній ОС, що були написані для іншої ОС. Виділяють:

1. Двійкова сумісність – досягається у тому випадку, коли можна взяти виконувану програму і запустити її на виконання у середовищі іншої ОС

2. Сумісність вихідний текстів – потребує наявності відповідного компілятора, … бібліотек і системних викликів; при цьому необхідна перекомпіляція вихідних текстів у новий виконуваний модуль

Залежить від багатьох факторів: головний – архітектура процесора, на якому працює нова ОС. Якщо процесор використовує той самий набір команд, і той самий діапазон адрес, то двійкова сумісність може бути досягнута досить легко, для цього необхідно лише дві речі: виклик функції інтерфейсу прикладного програмування, що містить за стосунки, що підтримуються даною ОС, і внутрішня структура виконуваного модулю має відповідати внутрішній структурі модулів даної системи.

Набагато складніше досягти двійкової сумісності на різних архітектурах: тоді використовується емулятор, що послідовно обирає кожну двійкову інструкцію одного процесора, програмним чином виконує дешифрування для визначення дій, що вона виконує, і, відповідно, виконує еквіваленту підпрограму у інструкціях іншого процесору. Вихід з такої ситуації – використання прикладних програмних засобів. Одна з складових, що формує прикладне середовище, - набір функцій інтерфейсу прикладного програмування, котрі ОС надає своїм застосункам; 60-80% процентів часу витрачається на виконання функцій графічних інтерфейсів користувача, трансляція використовує власні бібліотеки, що імітують внутрішні бібліотеки графічних інтерфейсів, але є написані на інших мовах. Щоб програма, написана для однієї ОС, могла бути виконана у рамках іншої, недостатньо забезпечити … інтерфейсів прикладного програмування… Концепції, закладені у основи ОС, можуть протиречити одна одній: кожна ОС має свої алгоритми обробки помилок, схеми керування пам’яттю, семантику доступу до файлів і графічний інтерфейс користувача, тому для забезпечення сумісності треба організувати у рамках однієї ОС декілька способів керування ресурсами.

Структура ОС:

• Монолітні системи – «хаус», неструктуровані; сервісні процедури

• Багаторівневі – рівні: 5 – оператор, 4 – програми користувача, 3 – керування введенням-виведенням, 2 – зв’язок оператор-процес, 1 – керування пам’яттю і барабаном, 0 – розподіл процесору та багатозадачність

• Віртуальні машини

• Екзоядро

• Модель клієнт-сервер

Комп’ютерні архітектури: