1 Архітектура операційної системи

2 Навчальні питання 1.Ядро і допоміжні модулі ОС. 2.Ядро в привілейованому режимі 3.Апаратна залежність і переносність ОС 4.Мікроядерна архітектура

3 Вступ Сучасна операційна система складається з окремих частин модулів, що мають визначене функціональне призначення і взаємодіють один з одним.

4 Вступ Під архітектурою ОС розуміють її структурну організацію на основі різних програмних модулів.

5 До складу ОС входять: модулі, що виконуються; об'єктні модулі; бібліотеки; модулі вихідного тексту програм; програмні модулі спеціального формату (наприклад, завантажник ОС, драйвери вводу- виводу), конфігураційні файли, файли документації, модулі довідкової системи і т.д.

6 1.Ядро і допоміжні модулі ОС

7 Склад ОС Операційна система підрозділяється на модулі двох груп: Модулі ядра, що виконують основні функції ОС; Модулі, що виконують допоміжні функції ОС.

8 Склад ОС

9 Модулі ядра ОС Модулі ядра виконують базові, внутршнісистемні функції організації обчислювального процесу ОС, наприклад, керування процесами, пристроями вводу-виводу, обробку переривань і т.п. Ці функції недоступні для додатків.

10 Модулі ядра ОС Інший клас функцій ядра служить для підтримки додатків, створюючи для них так зване прикладне програмне середовище. Додатки можуть звертатися до ядра з запитами системними викликами для виконання, наприклад, таких дій, як: відкриття і читання файлу, вивід графічної інформації на дисплей і тощо. Функції ядра, що можуть викликатися додатками, утворюють інтерфейс прикладного програмування API (Application Programming Interface).

11 Модулі ядра ОС Функції, що виконуються модулями ядра, є найбільше часто використовуваними функціями операційної системи, тому швидкість їхнього виконання визначає продуктивність усієї системи в цілому.

12 Модулі ядра ОС Для забезпечення високої швидкості роботи ОС усі модулі ядра або велика їх частина постійно находяться в оперативної пам'яті, тобто є резидентними.

13 Модулі ядра ОС Розроблювачі операційної системи приділяють особливу увагу надійності кодів ядра Звичайне ядро оформляється у виді програмного модуля деякого спеціального формату, що відрізняється від формату користувацьких додатків

14 Допоміжні модулі ОС До допоміжних модулів можуть бути віднесені різні сервісні програми такі як: архівування, дефрагментації диска і т.д. Допоміжні модулі ОС є або окремими додатками, або бібліотеками процедур. Приклад допоміжних модулів: брандмауер, браузер Internet Explorer.

15 Допоміжні модулі ОС розділяються на наступні групи: утиліти програми, що вирішують окремі задачі керування і супроводи комп'ютерної системи, такі, наприклад, як програми стиску дисків, архівування даних на магнітну стрічку; системні обробні програми текстові чи графічні редактори, компілятори, компонувальники, відладчики;

16 Допоміжні модулі ОС програми надання користувачу додаткових послуг спеціальний варіант користувальницького інтерфейсу, калькулятор і навіть гра; бібліотеки процедур різного призначення, що спрощують розробку додатків, наприклад бібліотека математичних функцій, функцій вводу-виводу і т.д.

17 Взаємодія модулів з ядром

18 Розширюваність ОС Поділ операційної системи на ядро і модулі-додатки забезпечує легку розширюваність ОС Щоб додати нову високорівневу функцію, досить розробити новий додаток, і при цьому не потрібно модифікувати відповідальні функції, що утворять ядро системи

19 Модулі ОС Модулі ОС, оформлені у виді утиліт, системних обробних програм і бібліотек, звичайно завантажуються в оперативну пам'ять тільки на час виконання своїх функцій, тобто є транзитними.

20 Питання ?

21 2. Ядро в привілейованому режимі

22 Необхідність привілейованого режиму Забезпечення надійного керування ходом виконання додатків Для захисту від некоректно працюючого додатка Для розподілу ресурсів комп'ютеру між додатками

23 Привілейований режим Даний режим не можливо забезпечити без спеціальних засобів апаратної підтримки В зв'язку з тим, що ядро виконує всі основні функції ОС, те найчастіше саме ядро стає тією частиною ОС, що працює в привілейованому режимі

24 Привілейований режим

25 Зміна режимів роботи

26 Приклади ОС UNIX, Windows NT Novell NetWare – ядро і модулі працюють в привілейованому режимі

27 Багатошарова структура ОС Обчислювальну систему, що працює під керуванням ОС на основі ядра, можна розглядати як систему, що складається з трьох ієрархічно розташованих шарів: нижній шар утворить апаратура, проміжний ядро, а утиліти, що обробляють програми і додатки, складають верхній шар системи.

28 Багатошарова структура ОС

29 Концепція багатошарової взаємодії Кожен шар обслуговує шар, який знаходиться зверху, виконуючи для нього деякий набір функцій, що утворять міжшаровий інтерфейс Така організація системи істотно спрощує розробку системи, тому що дозволяє спочатку визначити «зверху вниз» функції шарів і міжшарових інтерфейсів, а потім нарощувати потужність функцій шарів, рухаючи «знизу нагору»

30 Ядро може складатися з: Засобів апаратної підтримки ОС Машинно-залежні компоненти ОС Базові механізми, ядра Менеджери ресурсів Інтерфейс системних викликів

31 Питання ?

32 3. Апаратна залежність і переносимість ОС

33 Типові засоби апаратної підтримки ОС засоби підтримки привілейованого режиму; засоби трансляції адрес; засоби переключення процесів; система переривань; системний таймер; засоби захисту областей пам'яті.

34 Засоби підтримки привілейованого режиму Засновані на системному регістрі процесора, якій має назву «слово стану» машини чи процесора. Цей регістр містить деякі ознаки, що визначають режими роботи процесора, у тому числі й ознака поточного режиму привілеїв

35 Засоби трансляції адрес виконують операції перетворення віртуальних адрес, що містяться в кодах процесу, в адреси фізичної пам'яті за допомогою таблиці трансляції адрес Таблиці трансляції адрес, звичайно мають великий обсяг, тому для їхнього збереження використовуються області оперативної пам'яті, а апаратура процесора містить тільки покажчики на ці області.

36 Засоби перемикання процесів призначені для швидкого збереження контексту процесу, що припиняється, і відновлення контексту процесу, що стає активним

37 Система переривань дозволяє комп'ютеру реагувати на зовнішні події, синхронізувати виконання процесів і роботу пристроїв вводу-виводу, швидко переходити з однієї програми на іншу

38 Системний таймер Необхідний операційній системі для витримки інтервалів часу. Для цього в регістр таймера програмно завантажується значення необхідного інтервалу в умовних одиницях, з якого потім автоматично з визначеною частотою починає відніматися по одиниці. Частота «тиків» таймера, як правило, тісно зв'язана з частотою тактового генератора процесора.

39 Засоби захисту, областей пам'яті забезпечують на апаратному рівні перевірку можливості програмного коду здійснювати з даними визначеної області пам'яті такі операції, як читання чи запис

40 Машинно-залежні компоненти ОС

41 Машинно-залежні компоненти ОС Ядро можна спроектувати таким чином, що тільки частина модулів будуть машинно- залежними, а інші не будуть залежати від особливостей апаратної платформи. Така локалізація машинно-залежних модулів істотно спрощує перенос операційної системи на іншу апаратну платформу Обсяг машинно-залежних компонентів ОС залежить від того, наскільки великі відмінності в апаратних платформах, для яких розробляється ОС

42 Перенос операционной системы на разные аппаратные платформы

43 Переносність операційної системи Якщо код операційної системи може бути порівняно легко перенесений із процесора одного типу на процесор іншого типу і з апаратної платформи одного типу на апаратну платформу іншого типу, то таку ОС називають переносною (portable), чи мобільною.

44 Переносність операційної системи Для забезпечення цього необхідно: Написати код ОС на мові, для якої є транслятори для необхідних платформ Об'єм машинно-залежного коду повинний бути мінімальним Такий код необхідно розташувати в окремих модулях

45 Питання ?

46 4. Мікроядерна архітектура

47 Сутність У привілейованому режимі залишається працювати тільки дуже невелика частина ОС, яка має назву мікро-ядра. Мікроядро захищено від інших частин ОС і додатків. До складу мікроядра звичайно входять машинно-залежні модулі, а також модулі, що виконують базові функції ядра

48 Ядро і мікроядро Однозначного рішення, які із системних функцій потрібно залишити в привілейованому режимі, а які перенести в користувальницький, не існує

49 Мікроядро Як правило в в користувальницький режим переносяться деякі менеджери ресурсів, наприклад, файлова система, управління віртуальної пам'яттю і процесами, менеджер безпеки. Таки менеджери, мають назву серверів ОС

50 Реалізація системного виклика в мікроядерної архітерктурі

51 Особливості мікроядерної архітектури Недолік – зменшення продуктивності Переваги: Високий ступінь переносності Розширюваність Надійність ОС Підтримка розподілених обчислень

52 Сумісність Визначення Можливість операційною системою виконувати додатки, які написані для інших операційних систем називається сумісністю

53 Сумісність Додаток, якій був написаний, наприклад, для ОС MS DOS, міг би працювати і в середовищі ОС Windows NT Це залежить від багатьох факторів, головним є архітектура процесору (набір команд, адресний простір) Якщо процесор має іншу архітектуру, то в даному випадку використовується емулятор motorola

54 Прикладні програмні середовища Для скорочення часу на виконання чужих програм прикладні середовища імітують звертання до бібліотечних функцій Ефективність цього підходу зв'язана з тим, що більшість сьогоднішніх програм працюють під керуванням GUI (графічних інтерфейсів користувача) Сьогодні в типових програмах % часу витрачається на виконання функцій GUI і інших бібліотечних викликів ОС

55 Прикладні програмні середовища ця властивість додатків дозволяє прикладним середовищам компенсувати великі витрати часу при по командної емуляції програми. програмне прикладне середовище має у своєму складі бібліотеки, що імітують внутрішні бібліотеки GUI, написані на «рідному» коді. У такий спосіб досягається істотне прискорення виконання програм з API іншої операційної системи.

56

57 Прикладні програмні середовища Операційна система підтримує додатки, написані для OS1, OS2 і OS3. Для цього безпосередньо в просторі ядра системи розміщені прикладні програмні інтерфейси всіх цих ОС: API OS1, API OS2 і API OS3.

58 Питання ?