Стальнов А.Ф., Фомин А.И. Операционные системы. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского

интерфейса для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфа-

витно-цифровыми и графическими.

При работе за алфавитно-цифровым терминалом пользователь имеет в

своем распоряжении систему команд, мощность которой отражает функ-

циональные возможности данной ОС. Обычно командный язык ОС позво-

ляет запускать и останавливать приложения, выполнять

различные опера-

ции с файлами и каталогами, получать информацию о состоянии ОС (ко-

личество работающих процессов, объем свободного пространства на дис-

ках и т. п.), администрировать систему. Команды могут вводиться не

только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так на-

зываемого командного файла, содержащего некоторую последователь-

ность

команд.

Программный модуль ОС, ответственный за чтение отдельных команд

или же последовательности команд из командного файла, иногда называ-

ют командным интерпретатором.

Ввод команды может быть упрощен, если операционная система под-

держивает графический пользовательский интерфейс. В этом случае поль-

зователь для выполнения нужного действия с помощью мыши выбирает

на экране нужный пункт

меню или графический символ.

3.3. ОС Windows

В качестве примера операционной системы рассмотрим ОС Windows

NT. В основу Windows NT положена модульная клиент-серверная мо-

дель. Чтобы понять, как взаимодействуют между собой отдельные компо-

ненты операционной системы, прежде всего рассмотрим режимы работы

процессора.

3.3.1. Привилегированный и пользовательский режимы

В Windows NT предусмотрено два режима работы

процессора – приви-

легированный и пользовательский. В привилегированном режиме испол-

няемая программа получает полный доступ к аппаратным средствам и

системным данным. Пользовательский режим является непривилегиро-

ванным. В нем программа имеет ограниченный доступ к данным системы,

а к аппаратным средствам обращается через посредников, роль которых

играют различные службы ОС. Некоторые компоненты Windows NT (рис.

1.3) работают в привилегированном режиме, другие – в пользовательском.

Исполняющая система

Диспетчер

ввода-

вывода

Пользовательский

режим

Ядро (Kernel)

Процесс входа

в систему

Подсистема

безопасности

Приложение

OS/2

Подсистема

OS/2

Приложение

Win32

Подсистема

Win32

Приложение

POSIX

Подсистема

POSIX

Привилегированный

режим

Диспетчер

объектов

Монитор

безопасности

Диспетчер

процессов

Вызов

локальных

процедур

Диспетчер

виртуальной

памяти

Уровень аппаратных абстракций (HAL)

Аппаратные средства

Системные службы

Рис. 1.3. Архитектура Windows NT

Управление объектами, безопасность, вызовы локальных процедур,

управление процессами, управление памятью, ввод-вывод – все эти низ-

коуровневые компоненты составляют исполняющую систему Windows NT,

которая работает в привилегированном режиме.

В привилегированном режиме функционирует и уровень абстрагиро-

вания от аппаратных средств (HAL, Hardware Abstraction Layer). Он

представляет собой низкоуровневый интерфейс, лежащий между испол-

няющей системой и

аппаратными средствами компьютера.

Защищенные подсистемы Windows NT, в отличие от исполняющей

системы и уровня абстрагирования от аппаратных средств, работают в

пользовательском режиме, что закрывает им низкоуровневый доступ к ап-

паратным средствам и данным компьютера. Но операционная система от

этого становится более надежной и безопасной, ведь подсистемы могут

обращаться к компьютеру только через посредника

– исполнительную

систему, которая контролирует работу всей машины.

Для лучшего понимания значения такого разделения функций подроб-

нее рассмотрим компоненты операционной системы и их взаимодействие.

3.3.2. Уровень абстрагирования от аппаратных средств

Уровень абстрагирования от аппаратных средств (HAL) занимает низ-

шую ступень операционной системы Windows NT. О его функциях гово-

рит само название: он отделяет (абстрагирует) аппаратную часть компью-

тера от компонентов исполняющей системы. HAL разрабатывается под

конкретную аппаратную платформу и содержит код, обеспечивающий

связь с ее техническими средствами и управление ими. В результате такие

аппаратно-

зависимые элементы, как интерфейс ввода-вывода, контролле-

ры прерываний и средства межпроцессорной связи, оказываются скрыты-

ми глубоко в недрах HAL и надежно изолированными от других частей

операционной системы. Если сравнить, скажем, версии Windows NT для

платформ MIPS и Intel, то окажется, что различия между ними заключа-

ются главным образом в уровне абстрагирования от аппаратных средств.

HAL

обеспечивает связь исполнительных компонентов с аппаратными

средствами компьютера, то есть играет роль посредника между процессо-

ром и остальными элементами операционной системы. Защищенные под-

системы и приложения обращаются к аппаратным средствам через испол-

няющую систему, которая, в свою очередь, прибегает к услугам уровня

абстрагирования от аппаратных средств. Таким образом, именно HAL кон-

тролирует

весь доступ к аппаратным средствам.

3.3.3. Исполняющая система

Исполняющая система представляет собой набор компонентов, созда-

ющих ядро Windows NT. Ее составляющие можно разделить на две груп-

пы – системные службы и внутренние подпрограммы. К системным

службам обращаются подсистемы и другие исполнительные компоненты,

вызов же внутренних подпрограмм могут осуществлять только прочие ис-

полнительные

объекты.

Каждый исполнительный компонент снабжен API-подобным интер-

фейсом, который обеспечивает связь с другими компонентами, подсисте-

мами Windows NT и приложениями. При этом исполнительные компонен-

ты выполняют функции серверов, а подсистемы – клиентов. Когда же

компоненты вступают во взаимодействие с другими исполнительными

объектами, то им отводится уже роль клиентов.

Любой исполнительный компонент совершенно независим

от других

исполнительных объектов. Благодаря этому появляется возможность до-

бавлять в операционную систему новые функции путем простой модерни-

зации или замены одних компонентов, не затрагивая при этом другие. Ес-

ли новая версия оснащена службами и интерфейсами, обеспечивающими

ее взаимодействие с другими компонентами и подсистемами, работо-

способность операционной системы полностью сохраняется. Так, напри-

мер, создатели Windows NT смогли установить в своем продукте новый

Монитор безопасности, не внося изменений в другие компоненты.

3.3.4. Защищенные подсистемы

К компонентам Windows NT, работающим в пользовательском режиме,

относятся так называемые защищенные подсистемы. Это название они

получили потому, что каждая такая подсистема представляет собой неза-

висимый

процесс, протекающий в собственном адресном пространстве и

защищенный от других подсистем (и зависших приложений) диспетчером

виртуальной памяти Windows NT. Если, например, клиент Win32 каким-

либо образом дестабилизирует работу подсистемы Win32, это совершенно

не скажется на работоспособности подсистемы безопасности.

Защищенные подсистемы Windows NT снабжены собственными ин-

терфейсами прикладного программирования, обеспечивающими их связь

как между собой, так и

с приложениями. В клиент-серверной модели та-

кие подсистемы выполняют функции сервера. Приложения или другие

подсистемы направляют API-вызовы на исполняющую систему, откуда

средства вызова локальных процедур (LPC) пересылают их на сервер.

Сервер отвечает на запрос, и его сообщение передается через LPC коррес-

понденту, генерировавшему запрос.

Защищенные подсистемы делятся на два типа – интегральные подсис

темы и подсистемы среды, которые создают среду, необходимую для ра-

боты конкретной программы. Так, работу приложений Windows в среде

Windows NT обеспечивает подсистема Win32. Другие подсистемы среды

обслуживают работу приложений под Winl6, POSIX и MS-DOS.

К интегральным подсистемам относятся те, которые обслуживают дея-

тельность всей системы. В качестве примера можно привести подсистему

безопасности – она производит аутентификацию

при входе в систему и

предоставлении доступа к файлам.

Как уже упоминалось, в число защищенных подсистем Windows NT

входят и подсистемы среды, которые, как следует из их названия, создают

среду для выполнения приложений. Главной из них является подсистема

Win32. Именно она обслуживает запросы других подсистем среды на про-

ведение операций ввода-вывода. Кроме Win32

в Windows NT имеются

также подсистемы среды Winl6, POSIX и MS-DOS.

Подсистемы среды функционируют как независимые процессы с соб-

ственным адресным пространством. Здесь уместна аналогия с Windows

3.x, которая представляет собой DOS-приложение, создающее особую

среду, необходимую для работы Windows-программ. Подсистемы среды

также устанавливаются поверх ядра Windows NT и создают среду для ра-

боты приложений. Если программе конечного пользователя или

самой

подсистеме требуется какая-либо функция ядра операционной системы,

она передает управление исполняющей системе, которая вновь возвращает

его подсистеме после выполнения запроса. Исполняющая система плани-

рует потоки подсистем среды так же, как и потоки других приложений,

что обеспечивает многозадачность всех подсистем среды.

Предоставляя для исполнения приложений замкнутые среды, Windows

NT создает условия, при

которых сбой одной программы не оказывает ни-

какого влияния на другие. Так, аварийный останов приложения Winl6 со-

вершенно не скажется на работающем приложении Win32.

Отказавшись от встраивания всех функций в ядро и сделав подсистемы

среды независимыми пользовательскими процессами, разработчики Win-

dows NT значительно повысили надежность и наращиваемость операци-

онной системы. Во-первых, разделение подсистем позволило

создать пре-

дельно стабильную основу операционной системы (ее ядро) и при этом

обеспечить поддержку множества существующих интерфейсов приклад-

ного программирования. Во-вторых, появилась возможность вносить из-

менения в API и расширять их функциональность без вмешательства в яд-

ро. И, в-третьих, открылись перспективы совершенствования операцион-

ной системы простым включением в нее новых

интерфейсов прикладного

программирования.

ГЛАВА 2

ОРГАНИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1. Архитектура операционной системы

Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную

структуру, то есть разделяться на части – модули, имеющие вполне закон-

ченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами

взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля суще-

ственно упрощает работу по модификации и развитию системы.

Под архитектурой ОС понимают структурную организацию ОС на ос-

нове различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят ис-

полняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов,

библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программ-

ные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы

ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули

справочной системы

и т. д.

Большинство современных операционных систем представляют собой

хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию,

расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архи-

тектуры операционных систем не существует, но существуют универсаль-

ные подходы к структурированию ОС.

1.1. Ядро и вспомогательные модули ОС

1.1.1. Назначение ядра и вспомогательных модулей

ОС

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы

является разделение всех ее модулей на две группы:

1) ядро – модули, выполняющие основные функции ОС;

2) модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра

выполняют такие базовые функции ОС, как управление

процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет

сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью не-

работоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи ор-

ганизации вычислительного процесса, такие, как переключение контек-

стов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции не-

доступны для приложений. Другой класс функций ядра

служит для под-

держки приложений, создавая для них так называемую прикладную про-

граммную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – сис-

темными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например

для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дис-

плей, получения системного времени и т. д. Функции ядра,

которые могут

вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программи-

рования – API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто ис-

пользуемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их

выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для

обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая

их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть

являются ре-

зидентными.

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в ком-

пьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому

разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежно-

сти кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на

многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого

специального формата, отличающегося от формата пользовательских при-

ложений.

Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обяза-

тельные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут

быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте,

дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули

ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек проце-

дур

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные при-

ложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной

ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между

операционной системой и приложениями (рис.2.1).

Вспомогательные модули

ОС обычно подразделяются на следующие

группы:

утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и со-

провождения компьютерной системы, такие, например, как программы

сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;

системные обрабатывающие программы – текстовые или графические

редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

Ядро ОС

- Вспомогательные модули ОС

- Пользовательские приложения

Рис. 2.1. Нечеткость границы между ОС и приложениями

программы предоставления пользователю дополнительных услуг –

специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже

игры;

библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку

приложений, например библиотека математических функций, функций

ввода-вывода и т. д.

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач утилиты, об-

рабатывающие программы

и библиотеки ОС, обращаются к функциям яд-

ра посредством системных вызовов (рис. 2.2).

Разделение операционной системы на ядро и модули-приложения

обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высоко-

уровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при

этом не требуется модифицировать ответственные функции, образующие

ядро системы. Однако внесение изменений в функции ядра

может оказать-

ся гораздо сложнее, и сложность эта зависит от структурной организации

самого ядра. В некоторых случаях каждое исправление ядра может потре-

бовать его полной перекомпиляции.

Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих

программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только

на время выполнения своих функций, то есть

являются транзитными. По-

стоянно в оперативной памяти располагаются только самые необходимые

коды ОС, составляющие ее ядро. Такая организация ОС экономит опера-

тивную память компьютера.

Ядро ОС

Утилиты

Системные

обрабатывающие

программы

Библиотеки

процедур

Приложения

пользователей

Рис. 2.2. Взаимодействие между ядром и вспомогательными модулями ОС

Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является

возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет вы-

полнения функций ядра в привилегированном режиме.

1.1.2. Ядро в привилегированном режиме

Для надежного управления ходом выполнения приложений операцион-

ная система должна иметь по

отношению к приложениям определенные

привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешать-

ся в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Все усилия разра-

ботчиков операционной системы окажутся напрасными, если их решения

воплощены в незащищенные от приложений модули системы, какими бы

элегантными и эффективными эти решения ни были. Операционная сис-

тема

должна обладать исключительными полномочиями также для того,

чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в

мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь воз-

можности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, за-

нимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода

времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешни-

ми

устройствами.

Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специ-

альных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна

поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский ре-

жим (user mode) и привилегированный режим, который также называют

режимом ядра (kernel mode), или режимом супервизора (supervisor mode).

Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части рабо-

тают в привилегированном режиме, а приложения – в пользовательском

режиме.

Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего

именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегиро

ванном режиме (рис. 2.3). Иногда это свойство – работа в привилегиро-

ванном режиме – служит основным определением понятия “ядро”.

Утилиты ОС

Системные обрабатывающие

программы

Приложения

пользователей

Ядро ОС

Пользовательский режим

Привилегированный режим

Рис. 2.3. Архитектура ОС с ядром в привилегированном режиме

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выпол-

нения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связан-

ных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением уст-

ройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты

памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском

режиме

запрещается безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится

инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие за-

прещается выполнять только при определенных условиях. Например, ин-

струкции ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе

к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и

всех приложений, но разрешены

при доступе к последовательному порту,

который выделен в монопольное владение для определенного приложе-

ния.

Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операцион-

ной системой не только для защиты своих областей памяти от приложе-

ний, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо при-

ложению, от остальных приложений. Говорят, что

каждое приложение ра-

ботает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализо-

вать некорректно работающее приложение в собственной области памяти,

так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и

операционную систему.