Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Основные принципы построения операционных систем
• Архитектурные особенности проектирования операционных систем
• Принципы построения системных и прикладных программных интерфейсов
• Заключение
• Список используемой литературы
• Введение

Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности. Под модулем операционной системы в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность относительно легкой замены его на другой при наличии заданных интерфейсов. Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот). Особо важное значение при построении ОС имеют реентерабельные программные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы (под реентерабельностью понимают свойство программы, позволяющее одновременно выполнять эту программу нескольким процессам). Достижение реентерабельности реализуется различными способами. В некоторых системах реентерабельность программы получают автоматически благодаря неизменяемости кодовых частей программ при исполнении (из-за особенностей системы команд машины), а также автоматическому распределению регистров, автоматическому отделению кодовых частей программ от данных и помещению последних в системную область памяти. Естественно, что для этого необходима соответствующая аппаратная поддержка. В других случаях это достигается программистами за счет использования специальных системных модулей. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.

В ОС выделяется некоторая часть важных программных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ОС называют ядром операционной системы, так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра необходимо учитывать два противоречивых требования. Во-первых, в состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули. Во-вторых, количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули управления системой прерываний, средства по переводу процессов из состояния выполнения в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получили название транзитных. Транзитные программные модули операционной системы загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима термина «транзитный» иногда используется термин «диск-резидентный».

Основное положение принципа генерируемости ОС определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную часть исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта процедура проводится редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных. Упомянутый выше принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительного комплекса.

Принцип функциональной избыточности учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами. В состав ОС может входить несколько модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса, несколько систем управления файлами, различные средства организации коммуникаций между вычисли-тельными процессами. Это позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительного комплекса, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств и получить максимальную производительность при решении конкретного класса задач.

Принцип виртуализации позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов. Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать их программы, написанные на определенном языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительного комплекса, способы эффективного использования его компонентов и подсистем. Он мыслит и работает в терминах используемого им языка и тех ресурсов, которые ему предоставляются в рамках виртуальной машины. Обычно виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:

1. Единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных (в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования);

2. Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям на уровне используемого языка в терминах управления процессами;

3. Произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, который инициирует работу этих устройств;

4. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответствующей системы управления файлами. Предусмотрено расширение информационных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.

Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большей или меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной», и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности у полученной пользователем машины. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Другими словами, речь идет об организации нескольких операционных сред. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности.

Принцип независимости программ от внешних устройств реализуется сейчас в подавляющем большинстве современных ОС. Этот принцип заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее исполнения. В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Указанный принцип позволяет осуществлять операции управления внешними устройствами одинаково и независимо от их конкретных физических характеристик. Например, программе, содержащей операции обработки последовательного набора данных, безразлично, на каком носителе эти данные будут располагаться. Смена носителя и данных, размещаемых на них (при неизменности структурных характеристик данных), не привнесет каких-либо изменений в программу, если в системе реализован принцип независимости.

Одним из аспектов принципа совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы. Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение под другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми. Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль. Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы одна машина выполняла программы другой машины, она должна работать с машинными командами, которые ей изначально непонятны. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является их соответствие стандартам POSIX. Использование стандартов POSIX позволяет создавать программы, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

Принцип открытой и наращиваемой (модифицируемой, развиваемой) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Другими словами, необходимо, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить при этом целостность системы. Хорошие возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг - «серверов». Основная часть ОС остается неизменной, но в то же время могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как принцип расширяемости системы.

Принцип мобильности (переносимости) заключается в том, что операционная система должна относительно легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа (которая включает наряду с типом процессора также и способ организации всей аппаратуры машины, иначе говоря, архитектуру ВМ) на аппаратную платформу другого типа. Заметим, что принцип переносимости очень близок принципу совместимости, хотя это и не одно и то же. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода. При этом нужно следовать некоторым правилам. Во-первых, большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах или системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. Это, прежде всего, означает, что ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является в общем случае переносимой. Во-вторых, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами. Наконец, если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в программно задаваемые данные абстрактного типа. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют. Именно введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения.

Принцип обеспечения безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов. Обеспечение защиты информации от несанкци-онированного доступа является обязательной функцией операционных систем. В соответствии со стандартами Национального центра компьютерной безопасности США (NCSC - National Computer Security Center) безопасной считается система, которая «посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полномочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации». Иерархия уровней безопасности отмечает низший уровень безопасности как D, а высший - как А. В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов. Основными свойствами, характерными для систем класса (уровня) С, являются наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. На уровне С должны присутствовать:

а) средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе;

б) избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать (владелец осуществляет это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей);

в) средства учета и наблюдения, обеспечивающие возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопас-ностью, или любые попытки получить доступ или удалить системные ресурсы;

г) защита памяти, заключающаяся в том, что память инициализи-руется перед тем, как повторно используется.

На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но поведение его может быть проконтролировано по записям в журнале, составленным средствами наблюдения и аудита. Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользователей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа. Каждому пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя. Уровень А является самым высоким уровнем безопасности и в дополнение ко всем требованиям уровня В требует выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности.

Архитектурные особенности проектирования операционных систем

Для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем до хорошо структурированных модульных систем, способных к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы.

В общем случае «структура» монолитной ОС представляет собой как раз отсутствие структуры. Такая ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая может вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы. Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика. Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа). Однако даже такие монолитные системы могут быть «немного» структурированными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, параметры помещаются в строго определенные места, такие, как регистры или стек, а затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого ОС индексирует таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру. Такая организация ОС предполагает следующую структуру:

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры;

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы;

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам.

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы, таких как 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. Такой структурный подход с современной точки зрения воспринимается как монолитный. В системах, имеющих многоуровневую структуру, нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требует значительного объема работ. Поэтому на смену монолитному подходу была предложена модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

Модель клиент-сервер - это один из возможных подходов к структурированию ОС. В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие, во-первых, программного компонента - потребителя какого-либо сервиса, то есть клиента, и во-вторых, программного компонента - поставщика этого сервиса, то есть сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер способен обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты. Применительно к структурированию операционной системы идея состоит в разбиении ОС на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций, например, управление памятью, создание или планирование процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микроядро, взаимодействуют друг с другом непосредственно. Микроядро играет роль регулировщика. Оно проверяет сообщения, пересылает их между серверами и клиентами, предоставляет доступ к аппаратуре.

Рассмотренная теоретическая модель является идеализированным описанием системы клиент-сервер, в которой ядро состоит только из средств передачи сообщений. В действительности разные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре ОС могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра. На одном краю этого спектра находится чисто микроядерная доктрина, состоящая в том, что все несущественные функции ОС должны выполняться не в режиме ядра, а в непривилегированном (пользовательском) режиме. На другом краю спектра - операционные системы, в составе которых имеется исполняющая система, работающая в режиме ядра и выполняющая функции обеспечения безопасности, ввода-вывода и другие.

Микроядро реализует жизненно важные функции, лежащие в основе ОС. Это базис для менее существенных системных служб и приложений. Именно вопрос о том, какие из системных функций считать несущественными, и, соответственно, не включать их в состав ядра, является предметом спора среди соперничающих сторонников идеи микроядра. В общем случае, подсистемы, бывшие традиционно неотъемлемыми частями операционной системы - файловые системы, системы управление окнами и системы обеспечения безопасности - становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом. Главный принцип разделения работы между микроядром и окружающими его модулями - включать в микроядро только те функции, которым абсолютно необходимо исполняться в режиме супервизора и в привилегированном пространстве. Под этим обычно подразумеваются машиннозависимые программы (включая поддержку нескольких процессоров), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний, поддержка пересылки сообщений, некоторые функции управления устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой команд в регистры устройств. Эти функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить программам, работающим в пространстве пользователя.

Известны два пути решения этой проблемы. Один из этих путей - размещение нескольких серверов, чувствительных к режиму работы процессора, в пространстве ядра, что обеспечивает им полный доступ к аппаратуре и, в то же время, связь с другими процессами посредством обычного механизма сообщений. Другой путь заключается в том, чтобы оставить в ядре только небольшую часть сервера, представляющую собой механизм реализации решения, а часть, отвечающую за принятие решения, переместить в пользовательскую область. Этот подход требует тесного взаимодействия между внешним планировщиком и резидентным диспетчером. Важно подчеркнуть логику последнего подхода. Несмотря на то, что, вообще говоря, запуск процесса или потока требует доступа к аппаратуре и обычно является функцией ядра, но при этом ядру все равно, какой из процессов запускать, поэтому решения о приоритетах процессов и дисциплине постановки в очередь может принимать работающий вне ядра планировщик.

Как и управление процессами, управление памятью может распределяться между микроядром и сервером, работающим в пользовательском режиме. Система управления страничной памятью (пейджер), работающая вне ядра, определяет стратегию замещения страниц (т.е. решает, какие страницы следует удалить из памяти для размещения страниц, выбранных с диска в ответ на прерывание по отсутствию необходимой страницы), а микроядро выполняет перемещение выбранных пейджером страниц. Как и планировщик процессов, пейджер является заменяемой составной частью.

Драйверы устройств также могут располагаться как внутри ядра, так и вне его. При размещении драйверов устройств вне микроядра для обеспечения возможности разрешения и запрещения прерываний часть программы драйвера должна исполняться в пространстве ядра. Отделение драйверов устройств от ядра делает возможной динамическую конфигурацию ОС. Кроме динамической конфигурации, есть и другие причины рассматривать драйверы устройств в качестве процессов пользовательского режима. Например, какая-либо система управления базами данных может иметь свой драйвер, оптимизированный под конкретный вид доступа к диску, но его нельзя будет подключить, если драйверы будут расположены в ядре. Этот подход также способствует переносимости системы, так как функции драйверов устройств могут быть во многих случаях абстрагированы от аппаратной части.

Технология микроядер обеспечивает совместимость программ, написанных для разных ОС, за счет абстрагирования интерфейсов прикладных программ от расположенных ниже операционных систем. Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машиннозависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к ОС, является возможность расширяемости операционной системы. Практически для любой ОС неизбежно наступает время, когда возникает острая необходимость привнесения в систему новых функций и свойств, которые не были заложены в нее первоначально. Для монолитных операционных систем внесение изменений затруднительно и чаще всего вообще невозможно. В микроядерных структурах благодаря наличию ограниченного набора четко определенных интерфейсов возможна постепенная эволюция и расширение ОС.

Обычно операционная система выполняется только в режиме ядра, а прикладные программы - только в режиме пользователя (за исключением тех случаев, когда они обращаются к ядру за выполнением системных функций). В отличие от обычных систем, операционная система, построенная на микроядре, выполняет свои серверные подсистемы в режиме пользователя как обычные прикладные программы. Такая структура позволяет изменять и добавлять серверы, не влияя на целостность микроядра.

Иногда имеется потребность и в сокращении возможностей ОС. Микроядро не обязательно подразумевает небольшую систему. Надстроенные службы, типа файловой системы и системы управления окнами, добавляют к ней немало. Если некоторые свойства являются важными, но предназначены лишь для определенных потребителей, можно исключать их из состава системы. Тогда базовый продукт подойдет более широкому кругу пользователей.

Использование модели клиент-сервер повышает надежность системы. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других процессов. Более того, поскольку серверы выполняются в пространстве пользователя, они не имеют непосредственного доступа к аппаратуре и не могут модифицировать память, в которой хранится управляющая программа. И если отдельный сервер может потерпеть «крах», то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальной части ОС. Эта модель хорошо подходит для распределенных вычислений, так как отдельные серверы могут работать на разных процессорах многопроцессорной ВМ или даже на разных ВМ. При получении от процесса сообщения микроядро может обработать его самостоятельно или переслать другому процессу. Так как микроядру безразлично, пришло ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является эффективным базисом для механизма RPC. Однако такая гибкость имеет свои недостатки: пересылка сообщений не так быстра, как обычные вызовы функций, и ее оптимизация является критическим фактором успеха ОС на основе микроядра.

Хотя технология микроядер и заложила основы модульных систем, способных развиваться регулярным образом, она не смогла в полной мере обеспечить возможности расширения систем. В настоящее время этой цели в наибольшей степени соответствует объектно-ориентированный подход, при котором каждый программный компонент является функционально изолированным от других. Основным понятием этого подхода является «объект». Объект - это единица программ и данных, взаимодействующая с другими объектам посредством приема и передачи сообщений. Объект может быть представлением как некоторых конкретных вещей - прикладной программы или документа, так и некоторых абстракций - процесса, события. Функции объекта определяют перечень действий, которые могут быть выполнены над данными этого объекта. Объект-клиент может обратиться к другому объекту, послав сообщение с запросом на выполнение какой-либо функции объекта-сервера. Объекты могут описывать сущности, которые они представляют, с разной степенью детализации. Для обеспечения преемственности при переходе к более детальному описанию предлагается механизм наследования свойств уже существующих объектов, то есть механизм, позволяющий порождать конкретные объекты из более общих. Например, при наличии объекта «текстовый документ» разработчик может легко создать объект «текстовый документ в формате Word», добавив соответствующее свойство к базовому объекту. Механизм наследования позволяет создать иерархию объектов, в которой каждый объект более низкого уровня приобретает все свойства своего предка.

Внутренняя структура данных объекта скрыта от наблюдения. Нельзя произвольно изменять данные объекта. Для того, чтобы получить данные из объекта или поместить данные в объект, необходимо вызывать соответствующие объектные функции. Это изолирует объект от того кода, который использует его. Разработчик может обращаться к функциям других объектов, или строить новые объекты путем наследования свойств других объектов, ничего не зная о том, как они сконструированы. Это свойство называется инкапсуляцией.

Таким образом, объект предстает для внешнего мира в виде «черного ящика» с хорошо определенным интерфейсом. С точки зрения разработчика, использующего объект, пока внешняя реакция объекта остается без изменений, не имеют значения никакие изменения во внутренней реализации. Это дает возможность легко заменять одну реализацию объекта на другую, например, в случае смены аппаратных средств. При этом сложное программное окружение, в котором находятся заменяемые объекты, не потребует никаких изменений. С другой стороны, способность объектов представать в виде «черного ящика» позволяет упаковывать в них и представлять в виде объектов уже существующие приложения, ничего в них не изменяя.

Использование объектно-ориентированного подхода особенно эффективно при создании активно развивающегося программного обеспечения, например, при разработке приложений, предназначенных для выполнения на разных аппаратных платформах.

Полностью объектно-ориентированные операционные системы очень привлекательны для программистов, так как позволяют им работать в глубине ОС, приспосабливая их к своим нуждам, но при этом не нарушая целостность системы.

Концепция объектно-ориентированного подхода непосредственно касается только разработчиков и лишь косвенно влияет на конечного пользователя. Другая концепция - концепция множественных прикладных сред - приносит пользователю возможность выполнять при помощи своей ОС программы, написанные для других операционных систем и других процессоров. Хотя в некоторых ОС дополнительное программное обеспечение позволяет пользователям запускать «чужие» программы, но в новом поколении операционных систем средства для выполнения «чужих» программ становятся стандартной частью системы. Благодаря этому операционная система практически не ограничивает выбор прикладных программ. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость конкретной ОС с приложениями, написанными для других ОС и процессоров, на двоичном уровне, а не на уровне исходных текстов.

При реализации множественных прикладных сред разработчики сталкиваются с противоречивыми требованиями. С одной стороны, задачей каждой прикладной среды является выполнение программы по возможности так, как если бы она выполнялась на «родной» ОС. Но потребности этих программ могут входить в конфликт с конструкцией операционной системы. Специализированные драйверы устройств могут противоречить требованиям безопасности. Могут конфликтовать схемы управления памятью и оконные системы. Но самой большой потенциальной проблемой является производительность - прикладная среда должна выполнять программы с приемлемой скоростью. Этому требованию не могут удовлетворить широко используемые ранее эмулирующие системы. Для сокращения времени на выполнение «чужих» программ прикладные среды используют имитацию программ на уровне библиотек. Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работают под управлением графических интерфейсов пользователя (Graphic User Interface - GUI), при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые вещи. Они непрерывно выполняют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других связанных с GUI действий. Тщательно продуманная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на «родном» коде, то есть она совместима с программным интерфейсом другой ОС. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более медленного процесса эмулирования кода по одной команде за один раз.

С позиции использования прикладных сред более предпочтительным является способ написания программ, при котором программист для выполнения некоторой функции обращается с вызовом к ОС, а не пытается более эффективно реализовать эквивалентную функцию самостоятельно, работая напрямую с аппаратурой.

Модульность операционных систем нового поколения позволяет намного легче реализовать поддержку множественных прикладных сред. В отличие от старых операционных систем, состоящих из одного большого блока, предназначенного для всех практических применений и разбитого произвольным образом на части, новые системы являются модульными, с четко определенными интерфейсами между составляющими. Это делает создание дополнительных модулей, объединяющих эмуляцию процессора и трансляцию библиотек, значительно более простым действием.

Принципы построения системных и прикладных программных интерфейсов

операционный система интерфейс сервер

Операционная система всегда выступает как интерфейс между аппаратурой машины и пользователем с его задачами. Под интерфейсами операционных систем понимают специальные системные и прикладные программные интерфейсы, предназначенные для выполнения ниже перечисленных задач.

1. Управление процессами, которое включает в себя следующий набор основных функций:

- запуск, приостановка и снятие процесса с выполнения;

- задание или изменение приоритета процесса;

- взаимодействие процессов между собой (механизмы семафоров, мьютексов и т.п.);

- удаленный вызов процедур (подпрограмм).

2. Управление памятью, которое включает в себя следующий набор основных функций:

- запрос на выделение блока памяти;

- освобождение блока памяти;

- изменение параметров блока памяти (например, память может быть заблокирована процессом либо предоставлена в общий доступ);

- отображение файлов на память (имеется не во всех системах).

3. Управление вводом-выводом, которое включает в себя запросы на управление виртуальными устройствами ввода-вывода, файловые операции (запросы к системе управления файлами на создание, изменение и удаление данных, организованных в файлы).

Выше отмечены основные наборы функций, которые выполняются ОС по соответствующим запросам от процессов. Что касается пользовательского интерфейса операционной системы, то он реализуется с помощью специальных программных модулей, которые принимают его команды на соответствующем языке (возможно, с использованием графического интерфейса) и транслируют их в обычные вызовы в соответствии с основным интерфейсом системы. Обычно эти модули называют интерпретатором команд. Получив от пользователя команду, такой модуль после лексического и синтаксического анализа либо сам выполняет действие, либо (что случается чаще) обращается к другим модулям ОС, используя механизм прикладного программного интерфейса API.

Обращения к операционной системе в соответствии с имеющимся API может осуществляться как посредством вызова подпрограммы с передачей ей необходимых параметров, так и через механизм программных прерываний. Выбор метода реализации вызовов функций API должен определяться архитектурой платформы.

В большинстве ОС используется метод вызова подпрограмм. В этом случае вызов сначала передается в модуль API (например, это может быть библиотека времени выполнения - RTL, Run Time Library), который и перенаправляет вызов соответствующим обработчикам программных прерываний, входящим в состав ОС. Использование механизма прерываний вызвано, главным образом, тем, что при этом процессор переводится в режим супервизора.

Прикладной программный интерфейс API, как это и следует из его названия, предназначен для использования прикладными программами системных ресурсов ОС и реализуемых ею функций. API описывает совокупность функций и процедур, принадлежащих ядру или надстройкам ОС, и предоставляет разработчику прикладной программы набор функций, ориентированных на организацию взаимодействия результирующей прикладной программы с так называемой «целевой вычислительной системой», которая представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, в окружении которых выполняется результирующая программа. Сама результирующая программа порождается системой программирования на основании кода исходной программы, созданного разработчиком, а также объектных модулей и библиотек, входящих в состав системы программирования. Функции API позволяют разработчику строить результирующую прикладную программу так, чтобы использовать средства целевой вычислительной системы для выполнения типовых операций. При этом разработчик программы избавлен от необходимости создания исходного кода для выполнения этих операций.

Программный интерфейс API включает в себя не только сами функции, но и соглашения об их использовании, которые регламентируются операционной системой, архитектурой целевой вычислительной системы и системой программирования.

Существует несколько вариантов реализации API:

- реализация на уровне ОС;

- реализация на уровне системы программирования;

- реализация на уровне внешней библиотеки процедур и функций.

Система программирования в каждом из этих вариантов предоставляет разработчику средства для подключения функций API к исходному коду программы и организации их вызовов. Объектный код функций API подключается к результирующей программе компоновщиком при необходимости.

При реализации функций API на уровне ОС за их выполнение ответственность несет ОС. Объектный код, выполняющий функции, либо непосредственно входит в состав ОС (или даже ядра ОС), либо поставляется в составе динамически загружаемых библиотек, разработанных для данной ОС. Система программирования ответственна только за то, чтобы организовать интерфейс для вызова этого кода. В таком варианте результирующая программа обращается непосредственно к ОС. Поэтому достигается наибольшая эффективность выполнения функций API по сравнению со всеми другими вариантами реализации API. Недостатком организации API по такой схеме является практически полное отсутствие переносимости не только кода результирующей программы, но и кода исходной программы. Программа, созданная для одной архитектуры ВМ, не сможет исполняться на ВМ другой архитектуры даже после того, как ее объектный код будет полностью перестроен. Чаще всего система программирования не сможет выполнить перестроение исходного кода для новой архитектуры ВМ, поскольку многие функции API, ориентированные на определенную ОС, будут в новой архитектуре просто отсутствовать. Таким образом, в данной схеме для переноса прикладной программы с одной целевой вычислительной системы на другую будет требоваться изменение исходного кода программы. Если функции API реализуются на уровне системы программирования, они предоставляются пользователю в виде библиотеки функций соответствующего языка программирования (обычно речь идет о библиотеке RTL, которая включает в себя стандартные программы, поставляемые системой программирования на этапе компиляции). Эффективность функций API в таком варианте будет несколько ниже, чем при непосредственном обращении к функциям ОС, так как для выполнения многих функций API библиотека RTL языка программирования должна все равно выполнять обращения к функциям ОС. Однако переносимость исходного кода программы в таком варианте будет самой высокой, поскольку синтаксис и семантика всех функций будут строго регламентированы в стандарте соответствующего языка программирования. Они зависят от языка и не зависят от архитектуры целевой вычислительной системы. Поэтому для выполнения прикладной программы на новой архитектуре достаточно заново построить код результирующей программы с помощью соответствующей системы программирования.

При реализации функций API с помощью внешних библиотек они предоставляются пользователю в виде библиотеки процедур и функций, созданной сторонним разработчиком. Причем разработчиком такой библиотеки может выступать тот же самый производитель. Система программирования ответственна только за то, чтобы подключить объектный код библиотеки к результирующей программе. Причем внешняя библиотека может быть и динамически загружаемой (то есть загружаемой во время выполнения программы). С точки зрения эффективности выполнения этот метод реализации API имеет самые низкие результаты, поскольку внешняя библиотека обращается как к функциям ОС, так и к функциям RTL языка программирования. Только при очень высоком качестве внешней библиотеки ее эффективность становится сравнимой с библиотекой RTL. Если говорить о переносимости исходного кода, то здесь существует только одно требование - используемая внешняя библиотека должна быть доступна в любой из архитектур, на которые ориентирована прикладная программа. Тогда удается достигнуть переносимости. Это возможно, если используемая библиотека удовлетворяет какому-то принятому стандарту, а система программирования поддерживает этот стандарт.

Заключение

Основными принципами построения современных эффективных операционных систем являются принципы модульности, генерируемости, функциональной избыточности, виртуализации, независимости выполняемых программ от внешних устройств, совместимости с другими ОС, открытости, легкой наращиваемости, мобильности (переносимости на другие аппаратные платформы), обеспечения надежной безопасности.

При модульном построении в ОС выделяется некоторая часть важных программных модулей, которые для более эффективной организации вычислительного процесса должны постоянно находиться в оперативной памяти. Эту часть ОС называют ядром операционной системы. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть множество других системных программных модулей, которые загружаются в оперативную память только при необходимости, а в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими подобными модулями. Такие модули получили название транзитных или диск-резидентных.

Операционные системы прошли длительный путь развития и совершенствования своей архитектуры от монолитных систем до хорошо структурированных модульных систем, способных к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы. Монолитная ОС представляет собой набор процедур, каждая из которых имеет определенный интерфейс и может вызывать любую другую процедуру для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы. При построении монолитной системы все отдельные процедуры связываются вместе в единый объектный файл.

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы, таких как файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Процессы передают запросы вверх и вниз по этим уровням. Такой структурный подход также воспринимается как монолитный. На смену монолитному подходу пришла модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

Модель клиент-сервер предполагает наличие, во-первых, программного компонента - потребителя какого-либо сервиса, то есть клиента, а во-вторых, программного компонента - поставщика этого сервиса, то есть сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер способен обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций (в монолитных ОС) на горизонтальное.

Технология микроядер заложила основы модульных систем, способных развиваться регулярным образом. Благодаря наличию четко определенных интерфейсов возможна постепенная эволюция и расширение ОС.