Операционные системы для однопроцессорных компьютеров

Операционные системы традиционно строились для управления компьютерами с одним процессором. Основной задачей этих систем была организация легкого доступа пользователей и приложений к разделяемым устройствам, таким как процессор, память, диски и периферийные устройства. Говоря о разделении ресурсов, мы имеем в виду возможность использования одного и того же аппаратного обеспечения различными приложениями изолированно друг от друга. Для приложения это выглядит так, словно эти ресурсы находятся в его полном распоряжении, при этом в одной системе может выполняться одновременно несколько приложений, каждое со своим собственным набором ресурсов. В этом смысле говорят, что операционная система реализует виртуальную машину (virtual machine), предоставляя приложениям средства мультизадачности.

Важным аспектом совместного использования ресурсов в такой виртуальной машине является то, что приложения отделены друг от друга. Так, невозможна ситуация, когда при одновременном исполнении двух приложений, А и В, приложение А может изменить данные приложения В, просто работая с той частью общей памяти, где эти данные хранятся. Также требуется гарантировать, что приложения смогут использовать предоставленные им средства только так, как предписано операционной системой. Например, приложениям обычно запрещено копировать сообщения прямо в сетевой интерфейс. Взамен операционная система предоставляет первичные операции связи, которые можно использовать для пересылки сообщений между приложениями на различных машинах.

Следовательно, операционная система должна полностью контролировать использование и распределение аппаратных ресурсов. Поэтому большинство процессоров поддерживают как минимум два режима работы:

– в режиме ядра (kernel mode) выполняются все разрешенные инструкции, а в ходе выполнения доступна вся имеющаяся память и любые регистры.

– в пользовательском режиме (user mode) доступ к регистрам и памяти ограничен. Так, приложению не будет позволено работать с памятью за пределами набора адресов, установленного для него операционной системой, или обращаться напрямую к регистрам устройств.

Рис. 1 Монолитная ОС

На время выполнения кода операционной системы процессор переключается в режим ядра. Однако единственный способ перейти из пользовательского режима в режим ядра — это сделать системный вызов, реализуемый через операционную систему. Поскольку системные вызовы — это лишь базовые службы, предоставляемые операционной системой, и поскольку ограничение доступа к памяти и регистрам нередко реализуется аппаратно, операционная система в состоянии полностью их контролировать.

Существование двух режимов работы привело к такой организации операционных систем, при которой практически весь их код выполняется в режиме ядра. Результатом часто становятся гигантские монолитные программы, работающие в едином адресном пространстве. Оборотная сторона такого подхода состоит в том, что перенастроить систему часто бывает нелегко. Другими словами, заменить или адаптировать компоненты операционной системы без полной перезагрузки, а возможно и полной перекомпиляции и новой установки очень трудно. С точки зрения открытости, проектирования программ, надежности или легкости обслуживания монолитные операционные системы — это не самая лучшая из идей.

Более удобен вариант с организацией операционной системы в виде двух частей:

1. Одна часть содержит набор модулей для управления аппаратным обеспечением, которые прекрасно могут выполняться в пользовательском режиме. Например, управление памятью состоит в основном из отслеживания, какие блоки памяти выделены под процессы, а какие свободны. Единственный момент, когда мы нуждаемся в работе в режиме ядра, — это установка регистров блока управления памятью.
2. Вторая часть операционной системы содержит небольшое микроядро (microkernel), содержащее исключительно код, который выполняется в режиме ядра. На практике микроядро должно содержать только код для установки регистров устройств, переключения процессора с процесса на процесс, работы с блоком управления памятью и перехвата аппаратных прерываний. Кроме того, в нем обычно содержится код, преобразующий вызовы соответствующих модулей пользовательского уровня операционной системы в системные вызовы и возвращающий результаты.

Такой подход приводит к организации, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Разделение приложений в операционной системе посредством микроядра

Использование микроядра дает нам разнообразные преимущества.:

– Наиболее важное из них состоит в гибкости: поскольку большая часть операционной системы исполняется в пользовательском режиме, относительно несложно заменить один из модулей без повторной компиляции или повторной установки всей системы.

– Другой серьезный плюс заключается в том, что модули пользовательского уровня могут в принципе размещаться на разных машинах. Так, мы можем установить модуль управления файлами не на той машине, на которой он управляет службой каталогов. Другими словами, подход с использованием микроядра отлично подходит для переноса однопроцессорных операционных систем на распределенные компьютеры.

У микроядер имеется два существенных недостатка.

– Во-первых, они работают иначе, чем существующие операционные системы, а попытки поменять сложившееся «статус-кво» всегда встречают активное сопротивление («если эта операционная система подходила для моего деда — она подойдет и для меня»).

– Во-вторых, микроядро требует дополнительного обмена, что слегка снижает производительность. Однако, зная как быстры современные процессоры, снижение производительности в 20 % вряд ли можно считать фатальным.