Реализация архитектуры ОС. Монолитные, микроядерные, многоуровневые системы.

Большинство современных ОС представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой унифицированной архитектуры ОС не существует, но известны универсальные подходы к структурированию ОС. Принципиально важными универсальными подходами к разработке архитектуры ОС являются:

1. Модульная организация;

2. Функциональная избыточность;

3. Функциональная избирательность;

4. Параметрическая универсальность;

5. Концепция многоуровневой иерархической вычислительной системы, по которой ОС представляется многослойной структурой;

6. Разделение модулей на две группы по функциям: ядро – модули, выполняющие основные функции ОС, и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС;

7. Разделение модулей ОС на две группы по размещению в памяти вычислительной системы: резидентные, постоянно находящиеся в оперативной памяти, и транзитные,

Монолитная ОС (UNIX или Novell NetWare) использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме. Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитное ядро – это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой.Во многих операционных системах с монолитным ядром сборка ядра, то есть его компиляция, осуществляется отдельно для каждого компьютера, на который устанавливается операционная система. При этом можно выбрать список оборудования и программных протоколов, поддержка которых будет включена в ядро. Так как ядро является единой программой, перекомпиляция – это единственный способ добавить в него новые компоненты или исключить неиспользуемые.

Микроядерная ОС. Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. В этом случае более высокоуровневые функции операционной системы выполняются специализированными компонентами — серверами, работающими в пользовательском режиме. Управление и обмен данными при этом осуществляется через передачу сообщений, доставка которых является одной из основных функций микроядра. Основное достоинство – высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной ОС можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. В то же время вносятся дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что существенно влияет на производительность.

Многоуровневая ОС. Можно разбить всю вычислительную систему на ряд более мелких уровней с хорошо определенными связями между ними, так чтобы объекты уровня N могли вызывать только объекты уровня N-1. Нижним уровнем в таких системах обычно является hardware, верхним уровнем – интерфейс пользователя. Слоистую структуру вычислительной системы принято изображать в виде системы концентрических окружностей, иллюстрируя тот факт, что каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями.

Поскольку ядро представляет собой сложный многофункциональный комплекс, то многослойный подход обычно распространяется и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев: Средства аппаратной поддержки ОС, Машинно-зависимые компоненты ОС, Базовые механизмы ядра, Менеджеры ресурсов, Интерфейс системных вызовов.

Слоеные системы хорошо реализуются. При использовании операций нижнего слоя не нужно знать, как они реализованы, нужно лишь понимать, что они делают. Слоеные системы хорошо тестируются. При возникновении ошибки мы можем быть уверены, что она находится в тестируемом слое. Слоеные системы хорошо модифицируются. При необходимости можно заменить лишь один слой, не трогая остальные. Но слоеные системы сложны для разработки: тяжело правильно определить порядок слоев и что к какому слою относится. Слоеные системы менее эффективны, чем монолитные. Для выполнения операций ввода-вывода программе пользователя придется проходить все слои от верхнего до нижнего. Примеры: THE (Дейкстра, в 1968 г.), MULTICS, некоторые Unix.