Билет №13. Ядро и вспомогательные модули ОС
Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:
- ядро — модули, выполняющие основные функции ОС;
- модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.
Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процесса-ми, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.
В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/вы¬грузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложе¬ний. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут об¬ращаться к ядру с запросами — системными вызовами — для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графиче¬ской информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс приклад¬ного программирования — API.
Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемы-ми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения опре-деляет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находят¬ся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.
Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютер¬ной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в ре¬зультате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.
Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специально¬го формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.
Разделение операционной системы на ядро и модули-приложения обеспечивает легкую расширяемость ОС. Чтобы добавить новую высокоуровневую функцию, достаточно разработать новое приложение, и при этом не требуется модифици¬ровать ответственные функции, образующие ядро системы. Однако внесение из¬менений в функции ядра может оказаться гораздо сложнее, и сложность эта за висит от структурной организации самого ядра. В некоторых случаях каждое ис¬правление ядра может потребовать его полной перекомпиляции.
Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные 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 процедур.
Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то час¬то бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями (рис. 3.1).
Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или нет, принима¬ет производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это реше¬ние, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.
Некоторая программа может существовать определенное время как пользова¬тельское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот. Ярким примером такого изменения статуса программы является Web-браузер компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, затем стал частью операционных систем Windows NT 4.0 и Windows 95/98, а сегодня существует большая вероятность того, что по решению суда этот браузер снова превратится в самостоятельное приложение.
\у — Вспомогательные модули ОС
(_) — Пользовательские приложения
Рис. 3.1. Нечеткость границы между ОС и приложениями
Вспомогательные модули ОС обычно подразделяются на следующие группы:
- утилиты — программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;
- системные обрабатывающие программы — текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;
- 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, обрабаты¬вающие программы и библиотеки ОС, обращаются к функциям ядра посредст¬вом системных вызовов (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Взаимодействие между ядром и вспомогательными модулями ОС
Модули ОС, оформленные в виде утилит, системных обрабатывающих программ и библиотек, обычно загружаются в оперативную память только на время вы¬полнения своих функций, то есть являются транзитными. Постоянно в опера¬тивной памяти располагаются только самые необходимые коды ОС, составляю¬щие ее ядро. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.
Важным свойством архитектуры ОС, основанной на ядре, является возможность защиты кодов и данных операционной системы за счет выполнения функций ядра в привилегированном режиме.
