Архитектура Операционной системы

Июль 27, 2022

Главная
Информатика
Архитектура Операционной системы

Содержание

2. Состав ОС Первая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме.
3. Архитектура ядра ОС Ядро – самый ключевой, основной компонент ОС, именно в нем реализуется большая часть
4. Монолитное ядро (все вместе) Появилось исторически первым в ходе эволюции ОС ОС используют большое монолитное ядро
5. Монолитное ядро Преимущества: Производительность - в виду того, что количество переключений из контекста режима пользователя в
6. Монолитный подход - простейший Первые ОС были монолитными, в них Нет определенной структуры Нет уровней Нет
7. MS DOS Прикладное ПО Резидентные программы Драйверы устройств MSDOS BIOS (драйверы устройств в BIOS)
8. Монолитный подход - Уровни Простая неорганизованная структура - плохо; Улучшение – ОС разбивается на ряд уровней
9. Простой поуровневый подход Разбиение на уровни помогает разбить программирование ОС, становится легче программировать. Используется оригинальным ядром
10. Ядро ОС Unix Интерфейс системных вызовов Интерфейс с аппаратурой Пользователи Символьный вв/выв, блочный вв/выв, драйверы терминалов,
11. Поуровневый подход Если уровни строго разделены: + можно над ними независимо работать + можно независимо заменять
12. Поуровневый подход Циклические зависимости Пример Возьмем драйвер диска Драйверу устройства можно ожидать завершения выполнения операции вв/выв,
13. Поуровневый подход Чем больше таких уровней, тем больше возникает проблемных ситуаций. Выход – отход от строгой
14. МИКРОЯДРО Микроядро – ядро, содержащее только самые необходимые функции Идея: минимизировать само ядро, вынести как можно
15. Структура микроядра Компоненты ОС, являющиеся внешними к микроядру реализуются в виде серверных процессов. Взаимодействие с ними
16. Унифицированные интерфейсы – процессы могут обмениваться сообщениями, нет разницы между режимом пользователя и режимом ядра, все
17. Недостатки микроядра Больше расходов на взаимодействие между системными сервисами Каждое взаимодействие требует переключения режимов (переходы из
18. Минимальная функциональность в микроядре 1) Низкоуровневое управление памятью - Отображение страниц на физ.память - Все остальные
19. Модуль Модуль – нечто среднее между поуровневой архитектурой и микроядром Удобно для разработки (каждый может разрабатывать
20. Модули ядра(развивались параллельно вместе с микроядром) Многие ОС реализуют поддержку модульности Пример – ОС Linux. Классифицируют
21. ОС Linux Торговая марка Linux зарегистрирована на Линуса Торвальдса. Linux, произносится «ли́нукс» . Создатель Linux -
22. ОС Windows NT Есть все: послойность, модульность и микроядро (используется гибридное ядро) Уникальная система с точки
23. Критерии выбора ОС Монолит –если есть разбиение на уровни, модули, но большей частью все компоненты выполняются
24. Виртуализация (виртуальная машина) Сегодня применяется практически везде: Планшет Android Телефон c Java Веб-сервер (на хостинге работает
25. Виртуализация Создает виртуально аппаратное окружение (виртуальный процессор, виртуальную память, виртуальные устройства вв/выв), которые реализуются программно. Сама
26. Классическая архитектура Архитектура, поддерживающая виртуальные машины
27. В классической архитектуре используется иерархия – процессы, ядро, аппаратное обеспечение. Процессы связываются с аппаратурой только через
28. Многопроцессорность Есть несколько вычислительных ядер Улучшает производительность за счет введения истинного параллелизма выполнения программ Преимущества: Производительность
29. Многопроцессорность (изменения в архитектуре) Многопроцессорная ОС должна предоставлять все тоже, что и однопроцессорная. Учитываются следующие сложности:
30. Многоядерные процессоры На одном кристалле процессора есть несколько вычислительных ядер Параллелизм в рамках одного процессора Каждое
31. Особенности методов построения ОС В руководстве по работе с операционной системой часто указываются особенности ее структурной
32. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая
33. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум
34. Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все достоинства этого метода (хорошо зарекомендовавшие себя
35. Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких
37. Скачать презентацию

Слайд 2

Состав ОС
Первая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой

в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память один раз и находится в памяти резидентно – постоянно, по одним и тем же адресам. Ядро - командный интерпретатор, «переводчик» с программного языка на «железный», язык машинных кодов.
Вторая часть - Подсистема управления ресурсами (resource allocator) - управляет вычислительными ресурсами компьютера - оперативной и внешней памятью, процессором
Третья часть - Управляющая программа (control program, supervisor) – управляет исполнением других программ и функционированием устройств ввода-вывода.(используются специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера. Драйвера «системные библиотеки»)
4 часть — удобная оболочка, с которой общается пользователь — интерфейс. Своего рода красивая обертка, в которую упаковано скучное и не интересное для пользователя ядро.

Слайд 3

Архитектура ядра ОС
Ядро – самый ключевой, основной компонент ОС, именно в

нем реализуется большая часть функциональности ОС
Появились различные подходы к проектированию и реализации ядра ОС
Монолитное ядро
Поуровневый подход
Микроядро
Модули ядра

Слайд 4

Монолитное ядро (все вместе)
Появилось исторически первым в ходе эволюции ОС
ОС используют

большое монолитное ядро
Монолит – все вместе, все библиотеки, сервисные функции в одном ядре
Монолитное ядро содержит след. базовые элементы:
Планирование процессов
Управление файловой системой
Сетевое взаимодействие
Драйверы устройств
Управление памятью

Слайд 5

Монолитное ядро
Преимущества:
Производительность - в виду того, что количество переключений из контекста

режима пользователя в режим ядра сведено к минимуму;
Недостатки
Неустойчивость к сбоям – так как все базовые элементы и их работа выполняются в режиме ядра, и если хотя бы в одном модуле или блоке ядра произойдет какой-либо сбой, то ему будет подвержена вся ОС(все ядро), вариантов других нет, закончится все – перезапуском ОС.

Слайд 6

Монолитный подход - простейший
Первые ОС были монолитными, в них
Нет определенной структуры
Нет

уровней
Нет разделения на модули
Определенной структуры данные ОС не имеют. Это большой набор сервисных функций. Нет деления на слои и модули.
ОС были простыми и большими, так как все время дописывались, засчет этого росли.
Пример – классический MSDOS
Больше функциональности, меньше места (в то время было очень маленькое адресное пространство)
Разделение на уровни не было, программы могли работать с оборудованием напрямую, могли сами вызывать нужные драйверы

Слайд 7

MS DOS
Прикладное ПО
Резидентные программы
Драйверы устройств MSDOS
BIOS (драйверы устройств в BIOS)

Слайд 8

Монолитный подход - Уровни
Простая неорганизованная структура - плохо;
Улучшение – ОС разбивается

на ряд уровней (слоев) – каждый следующий уровень базируется на предыдущем(вводится понятие иерархии уровней)
Самый нижний – аппаратное обеспечение
Самый верхний – интерфейс пользователя
Каждый уровень использует только функции (сервисы), предоставляемые нижестоящим уровнем
Все (или почти все уровни) работают в режиме ядра
Примеры таких ОС – MULTICS, VAX\VMC

Слайд 9

Простой поуровневый подход
Разбиение на уровни помогает разбить программирование ОС, становится

легче программировать.
Используется оригинальным ядром Unix
Небольшое число монолитных слоев
Нет инкапсуляции, функции и сервисы, предоставляемые на разных уровнях доступны всей системе
По сути ядро – набор процедур, которые могут вызывать любые другие процедуры
Огромное количество функциональности в ядре (все что можно и нужно
Современные ОС более четко разделены на уровни

Слайд 10

Ядро ОС Unix
Интерфейс системных вызовов
Интерфейс с аппаратурой
Пользователи
Символьный вв/выв, блочный вв/выв,

драйверы терминалов, файловая система, дисковые драйверы, планировщик, виртуальная память

Терминалы

Контроллеры дисков

Физическая память

Поуровневый подход позволяет независимо работать, менять и отлаживать ОС

Слайд 11

Поуровневый подход
Если уровни строго разделены:
+ можно над ними независимо работать
+ можно

независимо заменять
Например, сетевой стек TCP/IP является примером строгого разделения на уровни (уровни все четко выверены и подробно описаны)
Сложности
- как определить эти слои (непростая задача)
- разделение на уровни возможно только при наличии иерархии вызовов и отсутствии циклических зависимостей.

Слайд 12

Поуровневый подход
Циклические зависимости
Пример
Возьмем драйвер диска
Драйверу устройства можно ожидать завершения выполнения операции

вв/выв, это означает обращение к уровню планировщика времени ЦП. (это вызов с верхнего слоя, а драйвер диска находится в самом низу на аппаратном уровне, это циклическая зависимость)
ЦП может вызвать драйвер устройства для выгрузки и подгрузки процессов
Поэтому в этом случае данная архитектурная модель не работает

Слайд 13

Поуровневый подход
Чем больше таких уровней, тем больше возникает проблемных ситуаций.
Выход

– отход от строгой поуровневой модели и возврат к небольшому числу слоев с большой функциональностью.
Дальнейшим этапом развития придумали МИКРОЯДРО.

Слайд 14

МИКРОЯДРО
Микроядро – ядро, содержащее только самые необходимые функции
Идея: минимизировать само ядро,

вынести как можно функциональности в режим пользователя (т.е. исполнять эту функциональность в виде обычных процессов)
Многие сервисы становятся пользовательскими процессами:
Драйверы устройств,
Файловые системы,
Менеджер виртуальной памяти,
Оконные системы графического интерфейса пользователя,
Службы безопасности
Данный подход популяризован ядром MACH («МАК»)
На основе MACH сделаны, среди прочих, Mac OSX (комп.Apple), GNUHurd

Слайд 15

Структура микроядра
Компоненты ОС, являющиеся внешними к микроядру реализуются в виде

серверных процессов. Взаимодействие с ними осуществляется через обмен сообщениями, а не путем системных вызовов.
Микроядро основывается на механизме обмена сообщениями:
проверяет корректность сообщений
передает их между компонентами
Проверяет, разрешен ли обмен сообщениями
Предоставляет доступ к оборудованию
Фактически реализует клиент-серверную архитектуру на одном компьютере.

Слайд 16

Унифицированные интерфейсы – процессы могут обмениваться сообщениями, нет разницы между режимом

пользователя и режимом ядра, все сервисы предоставляются через обмен сообщениями в клиент-серверной архитектуре (н-р, запросы могут обрабатываться на удаленные машины)
Расширяемость – легче расширить, новые сервисы добавляются как расширяется функциональность программы
Портируемость(переносимость) – на новое оборудование нужно перенести микроядро.
Надежность, безопасность – меньше кода выполняется в режиме ядра, ошибки программ в режиме пользователя не влияют на остальную часть системы.

Преимущества микроядра

Слайд 17

Недостатки микроядра
Больше расходов на взаимодействие между системными сервисами
Каждое взаимодействие требует переключения

режимов (переходы из режима пользователя в режим ядра и обратно. Механизм передачи сообщений требует очень частого переключения контекста(режим ядра – режим пользователя, они “съедают” значительную часть мощности ЦП)).
Системные сервисы, работающие в режиме пользователя – это процессы, ОС нужно их планировать(диспетчерезация)
Решение 1: реинтеграция таких сервисов обратно в ядро (интегрировать некоторые сервисы в ядро и “убрать” переключения
Улучшается производительность(меньше переключений, одно адресное пространство)
Такое ядро было сделано в ядре Mach
Решение 2: сделать ядро еще меньше – экспериментальные архитектуры (нано-ядра, пико-ядра)

Слайд 18

Минимальная функциональность в микроядре
1) Низкоуровневое управление памятью - Отображение страниц на

физ.память
- Все остальные механизмы предоставляются сервисами, работающими в режиме пользователя
Защита адресного пространства
Механизмы замещения страниц
Управление виртуальной памятью
2) Межпроцессорное взаимодействие
3)Ввод/вывод и обработка прерываний.

Слайд 19

Модуль
Модуль – нечто среднее между поуровневой архитектурой и микроядром
Удобно для разработки

(каждый может разрабатывать свой модуль без необходимости трогать основную систему)
Модули находятся в режиме ядра (уменьшаются затраты на взаимодействие модулей между собой)
Компромисс ради производительности.
Под разные задачи необходимо выбирать ОС
Если ОС должна быть высоко устойчива к сбоям, тогда выбираем соответствующую ОС этим задачам
Если для нормальных задач, то подойдет и Linux

Слайд 20

Модули ядра(развивались параллельно вместе с микроядром)
Многие ОС реализуют поддержку модульности
Пример –

ОС Linux. Классифицируют как монолитное ядро.
Каждый ключевой компонент – отдельный модуль
Взаимодействие происходит через определенные интерфейсы
Загружаются модули по требованию
Можно самому компилировать ядро Linux, выбирать нужные модули, решать какие модули войдут в ядро, т.е. компоновать ядро согласно своих требований, что позволяет получать преимущество – гибкость ОС

Слайд 21

ОС Linux
Торговая марка Linux зарегистрирована на Линуса Торвальдса. Linux, произносится «ли́нукс» . Создатель

Linux - Линус Бенедикт Торвальдс родился 28 декабря 1969 в Хельсинки — финский программист. Воодушевлённый прочтением книги Эндрю Таненбаума, посвящённой операционной системе Minix, Линус создал Linux — ядро операционной системы GNU/Linux, являющейся на данный момент самой распространённой из свободных операционных систем.

Уникальность данной ОС – открытый исходный код, он разрабатывается сообществом, поэтому данная ОС работает на очень многих существующих платформах (архитектуры процессора таких как Intel x86, x86-64, PowerPC, ARM, Alpha AXP, Sun SPARC, Motorola 68000, Hitachi SuperH, IBM S/390, MIPS, HP PA-RISC, AXIS CRIS, Renesas M32R, Atmel AVR32, Renesas H8/300, NEC V850, Tensilica Xtensa и многих других).
В отличие от большинства других операционных систем, Linux не имеет единой «официальной» комплектации. Вместо этого Linux поставляется в большом количестве так называемых дистрибутивов, в которых ядро Linux соединяется с утилитами GNU и другими прикладными программами (например, X.org), делающими её полноценной многофункциональной операционной средой.
Сам разработчик сегодня заявляет, что ядро ОС стало настолько большим, что его уже трудно поддерживать, оно недостаточно структурировано.

Слайд 22

ОС Windows NT
Есть все: послойность, модульность и микроядро (используется гибридное ядро)
Уникальная

система с точки зрения теории – гениально структурированное ядро ОС. В структуре спокойно разберется один человек
В ядре сосредоточены ключевые компоненты, а то, что можно было вынести без потери производительности – вынесено в режим пользователя.
На основе этого ядра сделаны Windows 2000/XP/7/8/
Windows NT первоначально работала на 5 платформах.

Слайд 23

Критерии выбора ОС
Монолит –если есть разбиение на уровни, модули, но большей

частью все компоненты выполняются в режиме ядра, этот монолит обычно раструктурированный.
Микроядро – если есть механизм обмена сообщениями и он является ключевым для организации взаимодействия компонентов ядра, сделано по клиент-серверной архитектуре. Его части выполняются в режиме пользователя. Такая ОС устойчива к сбоям

Слайд 24

Виртуализация (виртуальная машина)
Сегодня применяется практически везде:
Планшет Android
Телефон c Java
Веб-сервер (на хостинге

работает вир.сервер)
Впервые коммерческая виртуализация появилась в 1972г. В компьютерах фирмы IBM в минифреймах
Вирт.машина сама по себе это дальнейшее развитие поуровневого подхода

Слайд 25

Виртуализация
Создает виртуально аппаратное окружение (виртуальный процессор, виртуальную память, виртуальные устройства вв/выв),

которые реализуются программно.
Сама виртуальная машина работает как приложение в ОС
Виртуальная машина позволяет одному ПК (или серверу) выполнять одновременно несколько ОС, создавать ощущения того, что есть несколько полностью изолированных ОС. Или как частный случай, позволяет выполнять несколько сессий одной ОС на одном ПК (на одной платформе). Т.О. мы можем на одном ПК выполнять множество различных приложений, программ, работающих на различных ОС.

Слайд 26

Классическая архитектура
Архитектура, поддерживающая виртуальные машины

Слайд 27

В классической архитектуре используется иерархия – процессы, ядро, аппаратное обеспечение. Процессы

связываются с аппаратурой только через ядро
Когда появляется виртуализация, появляется слой поддержки вируальных машин, который располагается над аппаратным обеспечением. Он предоставляет уже виртуальное аппаратное обеспечение для каждой из виртуальных машин. Каждая виртуальная машина служит прослойкой к своему ядру ОС, которое в свою очередь выполняет уже пользовательские процессы. Поэтому получается несколько полностью изолированных сред выполнения, которые фактически могут объединяться между собой только на уровне аппаратного обеспечения и уровне поддержки виртуальных машин. Естественно в такой архитектуре поддерживается полный контроль безопасности.

Слайд 28

Многопроцессорность
Есть несколько вычислительных ядер
Улучшает производительность за счет введения истинного параллелизма выполнения

программ
Преимущества:
Производительность – на каждом процессоре может работать один или больше процессов
Доступность – отказ одного процессора не приведет к отказу всей системы
Расширяемость – увеличение производительности за счет добавление ЦП

Слайд 29

Многопроцессорность (изменения в архитектуре)
Многопроцессорная ОС должна предоставлять все тоже, что и

однопроцессорная.
Учитываются следующие сложности:
Реентабельность ядра – код ядра д.б. реентабельным – т.е. один и тот же код может быть выполнен одновременно несколькими процессорами. Реента – англ.слово - «входить еще раз» - вход несколько одновременно. Это накладывает определенные требования синхронизации
Синхронизация – истинный параллелизм выполнения процессов и доступ к общим ресурсам (ОП, вв/выв) требуют эффективной синхранизацииотказ одного процессора не приведет к отказу всей системы Синхронизация процессов — приведение двух или нескольких процессов к такому их протеканию, когда определённые стадии разных процессов совершаются в определённом порядке, либо одновременно.
Планирование – загрузки ЦП, процессы планируются для загрузки на разные ЦП
Надежность и устойчивость к сбоям – если один процессор отказывает, задачи надо распределять на другие ЦП

Слайд 30

Многоядерные процессоры
На одном кристалле процессора есть несколько вычислительных ядер
Параллелизм в рамках

одного процессора
Каждое ядро по сути – отдельный процессор
Преимущества
Несколько процессоров в одном чипе существенно увеличивают производительность
Введение различных уровней КЭШ-памяти

Слайд 31

Особенности методов построения ОС
В руководстве по работе с операционной системой

часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.
К таким базовым концепциям относится способ построения ядра системы: монолитное ядро или микроядро.

Слайд 32

Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая

в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский режим и наоборот.

Слайд 33

Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном

режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме.
При такой реализации ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима.
Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

Слайд 34

Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все достоинства

этого метода (хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений) внутри операционной системы, а именно:
аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов;
возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования;
хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне;
структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.

Слайд 35

Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно

выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС.
Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, Unix, OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора.
Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.

Архитектура Операционной системы

Содержание

Состав ОСПервая часть — ядро, низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой

Архитектура ядра ОСЯдро – самый ключевой, основной компонент ОС, именно в

Монолитное ядро (все вместе)Появилось исторически первым в ходе эволюции ОСОС используют

Монолитное ядроПреимущества:Производительность - в виду того, что количество переключений из контекста

Монолитный подход - простейшийПервые ОС были монолитными, в нихНет определенной структурыНет

MS DOSПрикладное ПОРезидентные программыДрайверы устройств MSDOSBIOS (драйверы устройств в BIOS)

Монолитный подход - УровниПростая неорганизованная структура - плохо;Улучшение – ОС разбивается

Простой поуровневый подход Разбиение на уровни помогает разбить программирование ОС, становится

Ядро ОС Unix Интерфейс системных вызововИнтерфейс с аппаратуройПользователиСимвольный вв/выв, блочный вв/выв,

Поуровневый подходЕсли уровни строго разделены: + можно над ними независимо работать + можно

Поуровневый подходЦиклические зависимостиПримерВозьмем драйвер дискаДрайверу устройства можно ожидать завершения выполнения операции

Поуровневый подходЧем больше таких уровней, тем больше возникает проблемных ситуаций. Выход

МИКРОЯДРОМикроядро – ядро, содержащее только самые необходимые функцииИдея: минимизировать само ядро,

Структура микроядра Компоненты ОС, являющиеся внешними к микроядру реализуются в виде

Унифицированные интерфейсы – процессы могут обмениваться сообщениями, нет разницы между режимом

Недостатки микроядраБольше расходов на взаимодействие между системными сервисамиКаждое взаимодействие требует переключения

Минимальная функциональность в микроядре1) Низкоуровневое управление памятью - Отображение страниц на

МодульМодуль – нечто среднее между поуровневой архитектурой и микроядромУдобно для разработки

Модули ядра(развивались параллельно вместе с микроядром)Многие ОС реализуют поддержку модульностиПример –

ОС LinuxТорговая марка Linux зарегистрирована на Линуса Торвальдса. Linux, произносится «ли́нукс» . Создатель

ОС Windows NTЕсть все: послойность, модульность и микроядро (используется гибридное ядро)Уникальная

Критерии выбора ОСМонолит –если есть разбиение на уровни, модули, но большей

Виртуализация (виртуальная машина)Сегодня применяется практически везде:Планшет AndroidТелефон c JavaВеб-сервер (на хостинге

ВиртуализацияСоздает виртуально аппаратное окружение (виртуальный процессор, виртуальную память, виртуальные устройства вв/выв),

Классическая архитектураАрхитектура, поддерживающая виртуальные машины