Структуры операционных систем. Многоуровневые операционные системы.

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Первой системой, построенной таким образом была простая пакетная система THE, которую построил Дейкстра и его студенты в 1968 году.

Система имела 6 уровней. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы по прерыванию или по истечении времени. Уровень 1 управлял памятью - распределял оперативную память и пространство на магнитном барабане для тех частей процессов (страниц), для которых не было места в ОП, то есть слой 1 выполнял функции виртуальной памяти. Слой 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. С помощью этого уровня каждый процесс имел свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них. С помощью уровня 3 каждый процесс вместо того, чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, обращался к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

В системе THE многоуровневая схема служила, в основном, целям разработки, так как все части системы компоновались затем в общий объектный модуль.

Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в ОС MULTICS. В системе MULTICS каждый уровень (называемый кольцом) является более привилегированным, чем вышележащий. Когда процедура верхнего уровня хочет вызвать процедуру нижележащего, она должна выполнить соответствующий системный вызов, то есть команду TRAP (прерывание), параметры которой тщательно проверяются перед тем, как выполняется вызов. Хотя ОС в MULTICS является частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивает защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая, например, доступ к одним сегментам только для записи, а к другим - для чтения или выполнения. Преимущество подхода MULTICS заключается в том, что он может быть расширен и на структуру пользовательских подсистем. Например, профессор может написать программу для тестирования и оценки студенческих программ и запустить эту программу на уровне n, в то время как студенческие программы будут работать на уровне n+1, так что они не смогут изменить свои оценки.

Многоуровневый подход был также использован при реализации различных вариантов ОС UNIX.

Хотя такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше воспринимается монолитным. В системах, имеющих многоуровневую структуру было нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требовало хорошего знания операционной системы и массы времени. Когда стало ясно, что операционные системы живут долго и должны иметь возможности развития и расширения, монолитный подход стал давать трещину, и на смену ему пришла модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

1. Виртуальные машины

Виртуальной машиной (англ. virtual machine) называют программную или аппаратную среду, исполняющую некоторый код (например, байт-код, шитый код, p-code или машинный код реального процессора), или спецификацию такой системы.

Зачастую виртуальная машина эмулирует работу реального компьютера. На виртуальную машину, так же как и на реальный компьютер можно инсталлировать операционную систему, у виртуальной машины так же есть BIOS, оперативная память, жёсткий диск (выделенное место на жёстком диске реального компьютера), могут эмулироваться периферийные устройства. На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин.

Использование

Виртуальные машины могут использоваться:

• для защиты информации и ограничения возможностей процессов (см. песочница)
• для исследования производительности ПО или новой компьютерной архитектуры
• для эмуляции различных архитектур (например, эмулятор игровой приставки)
• с целью оптимизации использования ресурсов мэйнфреймов и прочих мощных компьютеров (например, IBM eServer (англ.))
• вредоносным кодом для управления инфицированной системой: вирус PMBS, обнаруженный в 1993 году, а также руткит SubVirt, созданный в 2006 году Microsoft Research, создавали виртуальную систему, которой ограничивался пользователь и все защитные программы (антивирусы и прочие)
• для моделирования информационных систем с клиент-серверной архитектурой на одной ЭВМ (эмуляция компьютерной сети с помощью нескольких виртуальных машин).
• для упрощения управления кластерами - виртуальные машины могут просто мигрировать с одной физической машины на другую во время работы.

System virtual machines

System virtual machines (sometimes called hardware virtual machines) allow multiplexing the underlying physical machine between different virtual machines, each running its own operating system. The software layer providing the virtualization is called a virtual machine monitor or hypervisor. A hypervisor can run on bare hardware (Type 1 or native VM) or on top of an operating system (Type 2 or hosted VM).

The main advantages of system VMs are:

• multiple OS environments can co-exist on the same computer, in strong isolation from each other;
• the virtual machine can provide an instruction set architecture (ISA) that is somewhat different from that of the real machine.

Multiple VMs each running their own operating system (called guest operating system) are frequently used in server consolidation, where different services that used to run on individual machines in order to avoid interference, are instead run in separate VMs on the same physical machine. This use is frequently called quality-of-service isolation (QoS isolation).

The guest OSes do not have to be all the same, making it possible to run different OSes on the same computer (e.g. Microsoft Windows and Linux, or older versions of an OS in order to support software that has not yet been ported to the latest version.) The use of virtual machines to support different guest OSes is becoming popular in embedded systems; a typical use is to support a real-time operating system at the same time as a high-level OS such as Linux or Windows.

Another use is to sandbox an OS that is not trusted, possibly because it is a system under development. Virtual machines have other advantages for OS development, including better debugging access and faster reboots.[1]