Принципы построения операционных систем. Модульный принцип построения компьютера, операционной системы Принципы построения операционных систем

Глава 9. Архитектура операционных систем

Как комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, операционная система представляет собой очень сложный конгломерат взаимо-связанных программных модулей и структур данных, которые должны обеспечи­вать надежное и эффективное выполнение вычислений. Большинство потенци­альных возможностей операционной системы, ее технические и потребительские параметры - все это во многом определяется архитектурой системы - ее структу­рой и основными принципами построения.

Очевидно, что системы, ориентированные на диалог, должны иметь иные страте­гию обслуживания и дисциплину диспетчеризации, чем системы пакетной обра­ботки. Диалоговое взаимодействие предполагает реализацию развитой интерфей­сной подсистемы, обеспечивающей взаимодействие пользователя с компьютером. Это отличие сказывается и на особенностях построения систем. Очевидно, что для диалоговых операционных систем необходимо предусмотреть множество механиз­мов, которые позволят пользователям эффективно управлять своими вычислени­ями.

Аналогично, и системы, реализующие мультизадачный режим работы, отличают­ся по своему строению от однозадачных систем. Если система допускает работу нескольких пользователей, то желательно иметь достаточно развитую подсистему информационной безопасности. А это, в свою очередь, налагает определенные тре­бования и на идеологию построения операционной системы, и на выбор конкрет­ных механизмов, помогающих реализовать защиту информационных ресурсов и ввести ограничения на доступ к другим видам ресурсов. Поскольку операционные системы помимо функций организации вычислений и организации интерфейса пользователя предоставляют интерфейсы для взаимодействия программ с опера­ционной системой, мы в этой главе рассмотрим и интерфейсы прикладного про­граммирования.

Основные принципы построения операционных систем

Среди множества принципов построения операционных систем перечислим несколь­ко наиболее важных: принцип модульности, принцип виртуализации, принципы мобильности (переносимости) и совместимости, принцип открытости, принцип ге­нерации операционной системы из программных компонентов и некоторые другие.

Принцип модульности

Операционная система строится из множества программных модулей. Под моду­лем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает легкий способ его замены другим при наличии заданных интерфейсов. Способы обособления составных частей операционной системы в отдельные модули могут быть существенно разными, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования системы (снизу вверх или наоборот).

Особо важное значение при построении операционных систем имеют привилеги­рованные, повторно входимые и реентерабельные модули, ибо они позволяют бо­лее эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. Как мы уже зна­ем (см. главу 1), свойство реентерабельности может быть достигнуто различными способами, но чаще всего используются механизмы динамического выделения па­мяти под переменные для нового вычислительного процесса (задачи). В некото­рых системах реентерабельность программы получают автоматически. Этого можно достичь благодаря неизменяемости кодовых частей программ при исполнении, а также автоматическому распределению регистров, автоматическому отделению кодовых частей программ от данных и помещению последних в системную область памяти, которая распределяется по запросам от выполняющихся задач. 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. Принцип модульности является одним из основных в UNIX-системах.

Во всех операционных системах можно выделить некоторую часть наиболее важ­ных управляющих модулей, которые должны постоянно находиться в оператив­ной памяти для более скорой реакции системы на возникающие события и более эффективной организации вычислительных процессов. Эти модули вместе с не­которыми системными структурами данных, необходимыми, для функционирова­ния операционной системы, образуют так называемое ядро операционной систе­мы, так как это действительно ее самая главная, центральная часть, основа системы.

При формировании состава ядра требуется удовлетворить двум противоречивым требованиям. В состав ядра должны войти наиболее часто используемые систем­ные модули. Количество модулей должно быть таким, чтобы объем памяти, зани­маемый ядром, был не слишком большим. В его состав, как правило, входят мо­дули по управлению системой прерываний, средства по переводу программ из состояния счета в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распре­делению основных ресурсов, таких как оперативная память и процессор. В главе 1 мы уже упоминали, что операционные системы могут быть микроядерными и макроядерными (монолитными). В микроядсрных операционных системах само ядро очень компактно, а остальные модули вызываются из ядра как сервисные. При этом сервисные модули могут размещаться и в оперативной памяти. В противополож­ность микроядерным в макроядерных операционных системах главная супервизорная часть включает в себя большое количество модулей. Более подробно о мик­роядерных и макроядерных операционных системах см. далее.

Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагаю­щихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Транзитные программные мо­дули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима термина «транзитный» можно использовать тер­мин «диск-резидентный».

Принцип особого режима работы

Ядро операционной системы и низкоуровневые драйверы, управляющие работой каналов и устройств ввода-вывода, должны работать в специальном режиме рабо­ты процессора. Это необходимо по нескольким причинам. Во-первых, введение специального режима работы процессора, в котором должен исполняться только код операционной системы, позволяет существенно повысить надежность выпол­нения вычислений. Это касается выполнения как управляющих функций самой операционной системы, так и прикладных задач пользователей. Категорически нельзя допускать, чтобы какая-нибудь прикладная программа могла вмешиваться (преднамеренно или в связи с появлением ошибок вычислений) в вычисления, связанные с супервизорной частью операционной системы. Во-вторых, ряд функ­ций должен выполняться исключительно централизованно, под управлением опе­рационной системы, К этим функциям мы, прежде всего, должны отнести функции, связанные с управлением процессами ввода-вывода данных. Вспомните основные принципы организации ввода-вывода: все операции ввода-вывода дан­ных объявляются привилегированными. Это легче всего сделать, если процессор может работать, как минимум, в двух режимах: привилегированном (режим супервизора) и пользовательском. В первом режиме процессор может выполнять все команды, тогда как в пользовательском набор разрешенных команд ограничен. Естественно, что помимо запрета на выполнение команд ввода-вывода в пользова­тельском режиме работы процессор не должен позволять обращаться к своим спе­циальным системным регистрам - эти регистры должны быть доступны только в привилегированном режиме, то есть исключительно супервизорному коду самой операционной системы. Попытка выполнить запрещенную команду или обратиться к запрещенному регистру должна вызывать прерывание (исключение), и централь­ный процессор должен быть предоставлен супервизорной части операционной системы для управления выполняющимися вычислениями.

Поскольку любая программа требует операций ввода-вывода, прикладные програм­мы для выполнения этих (и некоторых других) операций обращаются к суперви­зорной части операционной системы (модуль супервизора иногда называют су­первизором задач) с соответствующим запросом. При этом процессор должен переключиться в привилегированный режим работы. Чтобы программы не могли произвольным образом обращаться к супервизорному коду, который работает в привилегированном режиме, им предоставляется возможность обращаться к нему в строгом соответствии с принятыми правилами. Каждый запрос имеет свой иден­тификатор и должен сопровождаться соответствуюшим количеством параметров, уточняющих запрашиваемую у операционной системы функцию (операцию). По­этому супервизор задач при получении запроса сначала его тщательно проверяет. Если запрос корректный и программа имеет право с ним обращаться, то запрос на выполнение операции, как правило, передается соответствующему модулю опера­ционной системы. Множество запросов к операционной системе образует соот­ветствующий системный интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API).

Принцип виртуализации

В наше время уже не требуется пояснять значение слова «виртуальный», ибо о виртуальных мирах, о виртуальной реальности знают даже дети. Принцип виртуа­лизации нынче используется практически в любой операционной системе. Вирту­ализация ресурсов позволяет не только организовать разделение тех ресурсов меж­ду вычислительными процессами, которые не должны разделяться. Виртуализация позволяет абстрагироваться от конкретных ресурсов, максимально обобщить их свойства и работать с некоторой абстракцией, вобравшей в себя наиболее значи­мые особенности. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мо­ниторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

Следует заметить, что сама операционная система существенно изменяет наши представления о компьютере. Она виртуализирует его, добавляя ему функциональности, удобства управления, предоставляя средства организации параллельных вычислений и т. д. Именно благодаря операционной системе мы воспринимаем компьютер совершенно иначе, чем без нее.

Наиболее законченным и естественным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по одределенным 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 на виртуальные устройства, ко­торые связаны с реально существующими в данной вычислительной системе. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительной системы, способы эффективного использования ее компонентов и подсистем. Он мыслит и работает с машиной в терминах исполь­зуемого им языка.

Чаше 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 «идеализированную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе.

• 
  Единообразная по логике работы память (виртуальная) достаточного для вы­полнения приложений объема. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах работы с сегментами данных на уровне вы­бранного пользователем языка программирования.
• 
  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 с уровня используемого языка в тер­минах управления процессами.
• 
  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, которые инициируют работу этих устройств. 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 операционной системы на базе конкретной аппаратуры ком­пьютера, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следователь­но, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень ее виртуальности.

Одним из важнейших результатов принципа виртуализации является возможность организации выполнения в операционной системе приложений, разработанных для другой операционной системы, имеющей совсем другой интерфейс прикладного программирования. Другими словами, речь идет об организации нескольких опе­рационных сред, о чем мы уже говорили в главе 1. Реализация этого принципа по­зволяет операционной системе иметь очень сильное преимущество перед другими операционными системами, не имеющими такой возможности. Примером реали­зации принципа виртуализации может служить VDM-машина (Virtual DOS Machine) - защищенная подсистема, предоставляющая полную среду типа MS DOS и консоль для выполнения DOS -приложений. Как правило, параллельно может выполняться практически произвольное число DOS-приложений, каждое в своей VDM-машине. Такие VDM-машины имеются и в операционных системах Windows 1 компании Microsoft, в OS/2, в Linux.

Одним из аспектов общего принципа виртуализации является независимость про­грамм от внешних устройств, хотя иногда эту особенность выделяют особенно и на­зывают принципом. Она заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не в процессе создания программы, а в период плани­рования ее исполнения. В результате перекомпиляция при работе программы с но­вым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Этот принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами 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 программ от внешних устройств. Независимость программ от вне­шних устройств реализуется в подавляющем большинстве операционных систем общего применения. Ярким примером такого подхода являются операционные си­стемы с общим названием UNIX. Реализована такая независимость и в большин­стве современных операционных систем для персональных компьютеров.

Например, в системах Windows все аппаратные ресурсы полностью виртуализи-рованы, и прямой доступ к ним со стороны прикладных (и системных обрабатыва­ющих) программ однозначно запрещен. В системах Windows NT/2000/XP даже были введены понятия HAL (Hardware Abstraction Layer- уровень абстрагирова­ния аппаратуры) и HEL (Hardware Emulation Layer- уровень эмуляции аппара­туры), и этот шаг очень помогает в реализации идей переносимости (мобильноcти) операционной системы.

Принцип мобильности

Мобильность, или переносимость, означает возможность и легкость переноса операционной системы на другую аппаратную платформу. Мобильная операционная система обычно разрабатывается с помощью специального языка высокого уров­ня, предназначенного для создания системного программного обеспечения. Такой язык помимо поддержки высокоуровневых операторов, типов данных и модуль­ных конструкций должен позволять непосредственно использовать аппаратные возможности и особенности процессора. Кроме этого, такой язык должен быть широко распространенным и реализованным в виде систем программирования, которые либо уже имеются на целевой платформе, либо позволяют получать про­граммные коды для целевого компьютера. Другими словами, этот язык системно­го программирования должен быть достаточно распространенным и технологич­ным. Одним из таких языков является язык С. В последние годы язык С++ также стал использоваться для этих целей, поскольку идеи объектно-ориентированного программирования оказались плодотворными не только для прикладного, но и для системного программирования. Большинство современных операционных систем были созданы именно как объектно-ориентированные.

Обеспечить переносимость операционной системы достаточно сложно. Дело в том, что архитектуры разных процессоров могут очень сильно различаться. У них мо­жет быть разное количество рабочих регистров, причем часть регистров может оказаться контекстно-зависимыми, как это имеет место в процессорах с архи­тектурой iа32. Различия могут быть и в реализации адресации. Более того, для операционной системы важной является не только архитектура центрального процессора, но и архитектура компьютера в целом, ибо важнейшую роль играет подсистема ввода-вывода, а она строится на дополнительных (по отношению к цен­тральному процессору) аппаратных средствах. В таких условиях сделать эффек­тивным код операционной системы при условии создания его на языке типа С/С++ невозможно. Поэтому часть программных модулей, которые более всего зависят от аппаратных особенностей процессора, от типов поддерживаемых данных, спо­собов адресации, системы команд и других важнейших моментов, разрабатывает­ся на языке ассемблера. Очевидно, что модули, написанные на языке ассемблера, при переносе операционной системы на процессор с иной архитектурой должны быть написаны заново. Зато остальная (большая) часть кода операционной систе­мы может быть просто перекомпилирована под целевой процессор. Именно по это­му принципу в свое время была создана операционная система UNIX. Относи­тельная легкость переноса этой системы на другие компьютеры позволила сделать ее одной из самых распространенных. Для обеспечения мобильности был даже создан стандарт на интерфейс прикладного программирования, названный POSIX (Portable Operating System Interface for Computers Environments - интерфейс при­кладного программирования для переносимых операционных систем).

К сожалению, на самом деле далеко не все операционные системы семейства UNIX допускают относительно простую переносимость созданного для них программ­ного обеспечения, хотя сами они и поддерживают такую переносимость. Основ­ная причина тому - отход от единого стандарта API - POSIX. Очевидно, что пла­той за универсальность, прежде всего, является потеря производительности при выполнении операций ввода-вывода и вычислений, связанных с этими операция­ми. Поэтому ряд разработчиков шли и до сих пор идут на отказ от принципа мо­бильности, поскольку не всегда следование этому принципу экономически оправ­дано.

Если при разработке операционной системы сразу не следовать принципу мобиль­ности, то в последующем очень трудно обеспечить перенос на другую платформу как самой операционной системы, так и программного обеспечения, созданного для нее. Например, компания IBM потратила долгие годы на перенос своей опера­ционной системы OS/2, созданной для персональных компьютеров с процессорами архитектуры iа32, на платформу PowerPC. Но даже если изначально в специ­фикации на операционную систему заложить требование легкой переносимости, это не значит, что его в последующем будет просто реализовать. Подтверждением тому является тот же проект OS/2-Windows NT. Как известно, проект Windows NT обеспечивал работу этой операционной системы на процессорах с архитекту­рой iа32, MIPS, Alpha (DEC), PowerPC. Однако в последующем трудности с реа­лизацией этого принципа привели к тому, что нынешние версии операционных систем класса Windows NT (Windows 2000/XP) уже создаются только для про­цессоров с архитектурой iа32 и не поддерживают MIPS, Alpha и PowerPC.

Принцип совместимости

Одним из аспектов совместимости является способность операционной системы выполнять программы, написанные для других систем 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 на другой операционной системе. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость па 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 один компьютер выполнял программы другого (например, программу для персонального компьютера типа IBM PC хочется выполнять на компьютере типа Mac от фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Например, процессор типа Power PC на Mac должен исполнять двоичный код, пред­назначенный для процессора i80x86. Процессор 80x86 имеет свои собственные де­шифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор Power PC имеет другую архитектуру, он не понимает непосредственно двоичный код 80x86, поэто­му должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для Power PC. К тому же у Power PC нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, поэтому он должен эмулировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует спе­циально написанных подпрограмм для Power PC, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точ­ности таким же, как и на реальном процессоре 80x86. 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 соответствие стандартам POSIX. Эти стандарты позволяют создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

Классификация операционных систем

Существует несколько схем классификации операционных систем. Ниже приведена классификация по некоторым признакам с точки зрения пользователя (табл. 1).

Таблица 1. Классификация ОС

Многозадачная ОС, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограммный режим в соответствии с определенными требованиями.

Приблизительность классификации по числу одновременно выполняемых задач очевидна. Так, в ОС MS-DOS можно организовать запуск дочерней задачи и одновременное сосуществование в памяти двух и более задач. Однако эта ОС традиционно считается однозадачной, главным образом из-за отсутствия защитных механизмов и коммуникационных возможностей.

Что касается классификации по числу одновременно работающих пользователей, то следует отметить: наиболее существенно отличие заключается в наличии у многопользовательских систем механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.

Многопроцессорные системы состоят из двух или более центральных процессоров, осуществляющих параллельное выполнение команд. Поддержка мультипроцессирования является важным свойством ОС и приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Многопроцессорная обработка реализована в таких ОС, как Linux, Solaris, Windows NT и в ряде других.

Многопроцессорные ОС разделяют на симметричные и асимметричные. В симметричных ОС на каждом процессоре функционирует одно и то же ядро и задача может быть выполнена на любом процессоре, то есть обработка полностью децентрализована. В асимметричных ОС процессоры неравноправны. Обычно существует главный процессор (master) и подчиненные (slave), загрузку и характер работы которых определяет главный процессор.

Рассмотрим подробнее классификацию ОС по режиму работы. Существует три категории ОС, которые характеризуются определенным типом взаимодействия между пользователем и его заданием: ОС пакетной обработки, в которых задание пользователя обрабатывается как последовательность пакетов, а возможность взаимодействия между пользователем и его заданием во время выполнения отсутствует; ОС разделения времени, которые обеспечивают одновременное обслуживание многих пользователей, позволяя каждому взаимодействовать со своими заданиями; ОС реального времени, которые обслуживают внешние процессы в темпе, соизмеримом с темпом их поступления (в настоящее время широкое распространение получили многорежимные ОС).

В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени . Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем те могут поступать, причем от нескольких источников одновременно. Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ.

Приведенная классификация ОС не является исчерпывающей.

ОС различают по назначению, выполняемым функциям и формам реализации. ОС – сложные дискретные системы, но в основу их разработки положены девять принципов (табл. 1).

Таблица 1. Принципы построения операционных систем

№ п/п	Принцип	Сущность
1.	Частотный	Наиболее часто встречающиеся операции выполняются наиболее быстро.
2.	Модульности	ОС создают на основе объединения самостоятельных функциональных элементов системы.
3.	Функциональной избирательности	Наиболее значимые и часто используемые модули выделяют в ядро ОС.
4.	Генерируемости	Настройка системных программ исходя из конкретной конфигурации ЭВМ и круга решаемых задач.
5.	По умолчанию	ОС самостоятельно задает параметры работы вычислительной системы, если их не задает пользователь.
6.	Перемещаемости	Построение модулей, исполнение которых не зависит от расположения в ОЗУ.
7.	Защиты	Необходимо разрабатывать меры, защищающие программы и данные от искажения и влияния друг на друга, а также пользователей на ОС.
8.	Независимости программ от внешних устройств
9.	Наращиваемости и открытости	Открытая ОС доступна для анализа специалистам, а наращиваемая – для модификации и совершенствования.

Данные принципы являются методологической основой построения ОС, но их можно с успехом применять и при разработке прикладного программного обеспечения.

1.8. Переносимость ОС

Для обеспечения мобильности (переносимости) ОС используются следующие правила: большая часть кода пишется на языках, трансляторы которых есть для всех платформ; минимизация машинно-зависимого кода; аппаратно-зависимый код должен быть изолирован в нескольких модулях.

Если код ОС может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на другой и с аппаратной платформы одного типа на другую, то такую ОС называют переносимой или мобильной. Мобильность – это не бинарное состояние, понятие степени. Вопрос не в том, может ли ОС быть перенесена, а в том, сколько усилий необходимо потратить. Для того чтобы обеспечить свойство мобильности ОС, разработчики должны следовать вышеперечисленным правилам.

Каждая ОС является сложной и уникальной программной системой. Однако в их основу положены общие принципы перечисленные ниже.

Принцип модульности. Предусматривает построение ОС из функционально законченных модулей. Выполнение модулей ОС не должно зависеть от их расположения в памяти. Перед размещением модуля в памяти производится его настройка под фактические адреса. Существенную роль при этом играют способы адресации процессора и алгоритм распределения памяти, реализованный в ОС.

Принцип функциональной избирательности . В ОС выделяются наиболее важные и часто используемые модули, которые являются основой системы. Эту часть называют ядром ОС. Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода, системой прерываний. Модули ядра постоянно находятся в оперативной памяти и называются резидентными. Остальные системные модули хранятся на жестком диске и называются транзитными .

Принцип генерируемости . Позволяет настроить ядро и остальные компоненты ОС исходя из конкретной конфигурации ЭВМ и круга решаемых задач. Процедура настройки называется инсталляцией.

Принцип функциональной избыточности . Обеспечивает возможность выполнения одной и той же операции различными способами и средствами, что определяет универсальность и гибкость ОС.

Принцип независимости программ от внешних устройств . Позволяет осуществлять обмен данными и управление внешними устройствами независимо от их характеристик. Это достигается за счет того, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период ее исполнения. Например, программе, выполняющей обработку последовательного набора данных, безразлично, какой носитель будет использоваться для их хранения. Непосредственное управление обменом данных между системой и внешними устройствами выполняют специальные программы, называемые драйверами .

Принцип совместимости . ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.

Принцип расширяемости (открытой и наращиваемой ОС ). Аппаратные средства компьютера устаревают за несколько лет, а ОС может использоваться десятилетиями (например, ОС UNIX ). Поэтому необходимо чтобы в ОС можно было легко внести изменения и дополнения, не нарушая ее целостности. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС. Взаимодействие модулей осуществляется только через функциональный интерфейс.

Принцип переносимости (мобильности) . Код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Аппаратные платформы различаются не только типом процессора, но и архитектурой всего компьютера. переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, т. е. являются многоплатформенными.

Принцип надежности и отказоустойчивости . Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких как дисковые массивы (RAID ) или источники бесперебойного питания.

Принцип максимальной производительности . ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, аппаратная платформа, на которой работает ОС.

Принцип обеспечения безопасности вычислений . Операционная система должна защищать данные и другие ресурсы ВС от несанкционированного доступа, обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других пользователей.

Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности . Под модулемоперационной 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). 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

Архитектурные особенности проектирования операционных систем

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.

Управление памятью

Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск (когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов) и возвращение их в оперативную память (когда в ней освобождается место), а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Для идентификации команд и переменных используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружен процесс, то транслятор присваивает командам и переменным виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что процесс будет размещен, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством . Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре ВМ, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в машине.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены команды и переменные. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами.

Управление вводом-выводом

ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью машины. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (принцип независимости от устройств).

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства .

Блок-ориентированные устройства ввода-вывода хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство – диск.

Байт-ориентированные устройства ввода-вывода не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются мониторы, принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Любое внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называют контроллером устройства или адаптером . Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

ОС обычно имеет дело не с устройством, а с его контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки (состоящие из байт), осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых ВМ эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких ВМ нет специальных операций ввода-вывода. В других машинах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами , образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода.

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней , причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей. Ключевым принципом является независимость от устройств ввода-вывода. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования , то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

Файлы и файловые системы

Таким об­разом, файловая система – это набор спецификаций и соответствующее им про­граммное обеспечение, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используют­ся файлами. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-нибудь ином носителе данных.

Следует различать файловую систему и систе­му управления файлами . Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС (хотя в принципе можно обхо­диться и без нее). Во-первых, через систему управления файлами связываются по данным все системные обрабатывающие программы. Во-вторых, с помощью этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового про­странства и управления данными. В-третьих, благодаря использованию той или иной системы управления файлами пользователям предоставляются следующие возможности:

– создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных набо­ров данных (именованных файлов) из своих программ или посредством спе­циальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользо­вателя с его данными и активно использующих систему управления файлами;

– работа с не дисковыми периферийными устройствами как с файлами;

– обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и уст­ройством (и наоборот);

– работа с файлами с помощью обращений к программным модулям системы управления файлами;

– защита файлов от несанкционированного доступа.

В некоторых ОС может быть несколько систем управления файлами, что обеспе­чивает им возможность работать с несколькими файловыми системами. Очевид­но, что системы управления файлами, будучи компонентом ОС, не являются не­зависимыми от этой ОС, поскольку они активно используют соответствующие вызовы прикладного программного интерфейса API (application program interface) . Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности, на диске. Файл состоит из физических записей – блоков . Блок (как уже было отмечено выше) – наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. В некоторых ОС такая наименьшая единица обмена называется кластером . При этом кластер может состоять из нескольких блоков.

Архитектура операционных систем Основные принципы построения операционных систем Основные принципы построения операционных систем Принцип модульности Принцип модульности Принцип функциональной избирательности Принцип функциональной избирательности Принцип генерируемости ОС Принцип генерируемости ОС Принцип функциональной избыточности Принцип функциональной избыточности Принцип виртуализации Принцип виртуализации Принцип независимости программ от внешних устройств Принцип независимости программ от внешних устройств Принцип совместимости Принцип совместимости Принцип открытой и наращиваемой ОС Принцип открытой и наращиваемой ОС Принцип мобильности (переносимости) Принцип мобильности (переносимости) Принцип обеспечения безопасности вычислений Принцип обеспечения безопасности вычислений

Принцип модульности Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Особо важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. Особо важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. 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. 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.

Принцип функциональной избирательности В ОС выделяется некоторая часть важных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ОС называют ядром, так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра требуется учитывать два противоречивых требования. В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули. Количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули по управлению системой прерываний, средства по переводу программ из состояния счета в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор.

Принцип функциональной избирательности Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима к термину «транзитный» можно использовать термин «диск-резидентный». В качестве синонима к термину «транзитный» можно использовать термин «диск-резидентный».

Принцип генерируемости ОС Основное положение этого принципа 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 супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Основное положение этого принципа 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 супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта процедура проводится редко, перед 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. Эта процедура проводится редко, перед 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. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.

Принцип генерируемости ОС Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных.

Принцип функциональной избыточности Этот принцип учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами. В состав ОС может входить несколько типов мониторов (модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса), различные средства организации коммуникаций между вычислительными процессами. Наличие нескольких типов мониторов, нескольких систем управления файлами позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач, получить максимальную производительность при решении заданного класса задач.

Принцип виртуализации Этот принцип 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.

Принцип виртуализации Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками: единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неогра­ниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования; единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неогра­ниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования;

Принцип виртуализации 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; 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; 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, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа. 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, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа.

Принцип виртуализации Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой воз­можности. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой воз­можности.

Принцип независимости программ от внешних устройств Этот принцип заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования её исполнения. В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами 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 принесет каких- либо изменений в программу, если в системе реализован принцип независимости.

Принцип совместимости Это 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 на 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.

Принцип совместимости 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 один компьютер выполнял программы другого (например, программу для ПК типа IBM PC желательно выполнить на ПК типа Macintosh фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Использование стандарта POSIX позволяет создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

Принцип открытой и наращиваемой ОС Открытая ОС доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам, обслуживающим вычислительную систему. Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Необходимо, чтобы можно было внести дополнения и изменения, и не нарушить целостность системы. Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиентсервер 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 и в то же время могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как расширяемость системы. К открытым ОС, прежде всего, следует отнести UNIX-системы и, естественно, ОС Linux.

Принцип мобильности (переносимости) Операционная система относительно легко должна переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и архитектуру вычислительной системы) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Принцип переносимости очень близок принципу совместимости, но это не одно и то же Большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех 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.

Принцип мобильности (переносимости) 2. 2.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 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. Введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения. Введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения.

Принцип обеспечения безопасности вычислений Обеспечение 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 (таких, как память). Обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа является обязательной функцией сетевых операционных систем. Во многих современных ОС гарантируется степень безопасности данных, соответствующая уровню С2 в системе стандартов США.

Принцип обеспечения безопасности вычислений 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, приведенная в стандартах, помечает низший уровень безопасности как D, а высший как А. В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов.

Принцип обеспечения безопасности вычислений Основными свойствами, характерными для систем класса С, являются наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. Класс (уровень) С делится на 2 подуровня: уровень С1, обеспечивающий защиту данных от ошибок пользователей, но не от действий злоумышленников; и уровень С2. На уровне С2 должны присутствовать: средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе; избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать. Владелец делает это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей;

Принцип обеспечения безопасности вычислений средства учета и наблюдения (auditing), обеспечивающие возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопасностью, или любые попытки создать, получить доступ или удалить системные ресурсы; защита памяти, заключающаяся в том, что память инициализируется перед тем, как повторно используется. 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.

Принцип обеспечения безопасности вычислений Уровень А является самым высоким уровнем безопасности, он требует в дополнение ко всем требованиям уровня В выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности. А-уровень безопасности занимает своими управляющими меха­низмами до 90 % процессорного времени. Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе. Например, для ОС Solaris (версия UNIX) есть несколько тысяч приложений, а для ее аналога В-уровня только около ста.

Микроядерные операционные системы Микроядро это минимальная стержневая часть операционной системы, служащая основой модульных и переносимых расширений. В микроядре содержится и исполняется минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. В число этих вызовов входят передача сообщений и организация другого общения между внешними по отношению к микроядру процессами, поддержка управления прерываниями, а также ряд некоторых других функций. Остальные функции, обеспечиваются как модульные дополнения-процессы, взаимодействующие главным образом между собой и осуществляющие взаимодействие посредством передачи сообщений. Микроядро является маленьким, передающим сообщения модулем системного программного обеспечения, работающим в наиболее приоритетном состоянии компьютера и поддерживающим остальную часть операционной системы, рассматриваемую как набор серверных приложений.

Микроядерные операционные системы Микроядро включает только те функции, которые требуются для определения набора абстрактных сред обработки для прикладных программ и для организации совместной работы приложений в обеспечении сервисов и в действии клиентами и серверами. В результате микроядро обеспечивает только пять различных типов сервисов: управление виртуальной памятью; задания и потоки; межпроцессные коммуникации (IPC - inter-process communication, межпроцессные коммуникации); управление поддержкой ввода/вывода и прерываниями; сервисы набора хоста (host - главный компьютер. Сейчас этим термином обозначают любой компьютер, имеющий IP- адрес) и процессора.

Микроядерные операционные системы Наиболее ярким представителем микроядерных ОС является ОС реального времени QNX. Микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Микроядро может быть целиком размещено во внутреннем кэше даже таких процессоров, как Intel 486. Разные версии этой ОС имели и различные объемы ядер от 8 до 46 Кбайт. Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает процессы, управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств.

Монолитные операционные системы В монолитной ОС, несмотря на ее возможную сильную структуризацию, очень трудно удалить один из уровней многоуровневой модульной структуры. Добавление новых функций и изменение существующих для монолитных ОС требует очень хорошего знания всей архитектуры ОС и чрезвычайно больших усилий. При поддержке монолитных ОС возникает ряд проблем, связанных с тем, что все функции макроядра работают в едином адресном пространстве: 1. 1.это опасность возникновения конфликта между различными частями ядра; 2. 2.сложность подключения к ядру новых драйверов.

ОС реального времени Система реального времени (СРВ) должна давать отклик на любые непредсказуемые внешние воздействия в течение предсказуемого интервала времени. Для этого должны быть обеспечены следующие свойства: Ограничение времени отклика, то есть после наступления события реакция на него гарантированно последует до предустановленного крайнего срока. Отсутствие такого ограничения рассматривается как серьезный недостаток про­ граммного обеспечения. Одновременность обработки: даже если наступает более одного события од­новременно, все временные ограничения для всех событий должны быть выдержаны. Это означает, что системе реального времени должен быть присущ параллелизм. Параллелизм достигается использованием нескольких процессоров в системе и/или многозадачного подхода.

ОС реального времени Различают системы «мягкого» и «жесткого» реального времени. Различие между жесткой и мягкой СРВ зависит от требований к системе система считается жесткой, если «нарушение временных ограничений не допустимо», и мягкой, если «нарушение временных ограничений нежелательно». Нет мягких или жестких ОСРВ. ОСРВ может только служить основой для построения мягкой или жесткой СРВ. Сама по себе ОСРВ не препятствует тому, что ваша СРВ будет мягкой.

Мультипрограммность и многозадачность ОСРВ ОС должна быть мультипрограммной и многозадачной (многопоточной multi- threaded) по принципу абсолютного приоритета (прерываемой) и активно использовать прерывания для диспетчеризации. Планировщик должен иметь возможность прервать любой поток и предоставить ресурс тому потоку, которому он более необходим. ОС (и аппаратура) должны также обеспечивать прерывания на уровне обработки прерываний.

Наличие приоритетов задач (потоков) в ОСРВ В ОС должно существовать понятие приоритета потока. В ОС должно существовать понятие приоритета потока. В идеальной ситуации ОСРВ отдает ресурс потоку или драйверу с ближайшим крайним сроком (это называется управлением временным ограничением, deadline driven OS). Чтобы реализовать это временное ограничение, ОС должна знать сколько времени требуется каждому из выполняющихся потоков для завершения. ОС, построенных по этому принципу, практически нет, так как он слишком сложен для реализации.

Наследование приоритетов в ОСРВ ОС должна существовать система наследования приоритетов. Комбинация приоритетов тредов и разделения ресурсов между ними приводит к проблеме инверсии приоритетов. Это можно проиллюстрировать на примере, когда есть как минимум три треда. Когда тред низшего приоритета захватил ресурс, разделяемый с тредом высшего приоритета, и начал выполняться поток среднего приоритета, выполнение треда высшего приоритета будет приостановлено, пока не освободится ресурс и не отработает тред среднего приоритета. В этой ситуации время, необходимое для завершения треда высшего приоритета, зависит от нижних приоритетных уровней, это и есть инверсия приоритетов. Комбинация приоритетов тредов и разделения ресурсов между ними приводит к проблеме инверсии приоритетов. Это можно проиллюстрировать на примере, когда есть как минимум три треда. Когда тред низшего приоритета захватил ресурс, разделяемый с тредом высшего приоритета, и начал выполняться поток среднего приоритета, выполнение треда высшего приоритета будет приостановлено, пока не освободится ресурс и не отработает тред среднего приоритета. В этой ситуации время, необходимое для завершения треда высшего приоритета, зависит от нижних приоритетных уровней, это и есть инверсия приоритетов.

Наследование приоритетов в ОСРВ Чтобы устранить такие инверсии, ОСРВ должна допускать наследование приоритета, то есть повышение уровня приоритета треда до уровня треда, который его вызывает. Наследование означает, что блокирующий ресурс тред наследует приоритет треда, который он блокирует (разумеется, это справедливо лишь в том случае, если блокируемый тред имеет более высокий приоритет). Чтобы устранить такие инверсии, ОСРВ должна допускать наследование приоритета, то есть повышение уровня приоритета треда до уровня треда, который его вызывает. Наследование означает, что блокирующий ресурс тред наследует приоритет треда, который он блокирует (разумеется, это справедливо лишь в том случае, если блокируемый тред имеет более высокий приоритет).

Синхронизация процессов и задач в ОСРВ ОС должна обеспечивать мощные, надежные и удобные механизмы синхронизации задач. Так как задачи разделяют данные (ресурсы) и должны сообщаться друг с другом, должны существовать механизмы блокирования и коммуникации. Необходимы механизмы, гарантированно предоставляющие возможность параллельно выполняющимся задачам и процессам оперативно обмениваться сообщениями и синхросигналами. Эти системные механизмы должны быть всегда доступны процессам, требующим реального времени. Следовательно, системные ресурсы для их функционирования должны быть распределены заранее.

Предсказуемость ОСРВ Поведение ОС должно быть известно и достаточно точно прогнозируемо. Времена выполнения системных вызовов и временные характеристики поведения системы в различных обстоятельствах должны быть известны разработчику. Поэтому создатель ОСРВ должен приводить следующие характеристики: латентную задержку прерывания (то есть время от момента прерывания до момента запуска задачи): она должна быть предсказуема и согласована с требованиями приложения. Эта величина зависит от числа одновременно «висящих» прерываний; максимальное время выполнения каждого системного вызова. Оно должно быть предсказуемо и не зависимо от числа объектов в системе; максимальное время маскирования прерываний драйверами и ОС.