1.4 Основы архитектуры операционных систем

programming

Операционная система - комплекс программ, обеспечивающих контроль за существованием, редактированием и использованием ресурсов ВС.

Процесс - совокупность машинных команд и данных, исполняющаяся (обрабатываемая) в рамках ВС и обладающая правами на использование некоторого набора ресурсов.
(процесс вовсе не обязан исполняться. он ожидает, пока ему предоставят ресурс. поэтому обрабатываемая)

Требования к ОС

• Надёжность (минимальное количество ошибок)
  • Самостоятельно перезагрузить зависший процесс и подобные операции
• Защита (защита информации и ресурсов от несанкционированного доступа)
  • Конфиденциальная информация может очень дорого стоить.
  • Защита - одна из ключевых задач.
• Эффективность
  • Удовлетворение выставленным критериям эффективности (скорость, безотказность, удобство работы, т.п.)
• Предсказуемость (известны заранее проблемы и последствия различных действий, устойчивость к форс-мажору)
  • Свойство операционной системы, позволяющее достоверно спрогнозировать ущерб при возникновении форс-мажора (отключение питания, ошибка)

Структура ОС

Ядро (Kernel) - резидентная часть ОС, работающая в режиме супервизора (обычно работает в режиме физической адресации)

Структура:
Интерфейсы программных вызовов (API - Application Programming Interface)
Динамически подгружаемые драйверы физических и виртуальных устройств
Ядро ОС
Аппаратура

• Ядро подгружает процессы
• Динамически подгружаемые драйверы устройств:
  • резидентные/нерезидентные (резидентные находятся в оперативной памяти с момента запуска и находятся там всё время работы)
  • работают в пользовательском/привилегированном режиме

Системный вызов - обращение к ОС за выполнением той или иной функции (возможности, услуги, сервиса. Уровень API)

• При системном вызове не происходит подгрузки программы в оперативную память, в отличие от библиотечных функций.
• Программные прерывания (например, fread/fride из библиотеки ввода/вывода. они могут использовать инфраструктуру библиотеки -> система работает также с кэшем библиотеки)

Пример структурной организации классической системы

Монолитные системы

Бывают монолитные системы. Они строятся без жёсткой структуры и с наиболее быстрыми и оптимальными путями решения.

Пример монолитной системы:
Такая система построена оптимальным образом, но сложно модифицируется. В ней трудно искать ошибки.

• Подобно замене видеокарты в одноплатном компьютере, замена какого-либо компонента системы - трудный процесс.

Многослойные ядра

Многослойные ядра представляются как совокупность уровней, связанных посредством программных интерфейсов. Каждый уровень выполняет свою задачу. (Например, уровень файловой системы)

• Замена одного из модулей такой системы заметно проще. Новый модуль должен соответствовать API.
• Такие системы менее эффективны.

Микроядерная архитектура

• Изначально была исследовательской моделью
• По сей день используется компанией Apple в iPhone, используется в BSD.
• Ядро с минимальной функциональностью. (очень “маленькое” ядро. Реализованы, например, первичная обработка прерываний и работа с оперативной памятью)
• К такому ядру могут быть подключены, например, несколько разных драйверов файловых систем.
• Плюсы:
  • Высокая гибкость. Главное требование к новым модулям - поддержка подключения.
• Минусы:
  • Неэффективность. На примере read(), для выполнения операции нужно совершить обращение к микроядру, которое осуществит запрос к драйверу устройства, который… Это долго.

Логические функции ОС

• Управление процессами
  • Выделение ресурсов.
• Управление ОП
  • Организация оперативной памяти на конкретной платформе.
• Планирование
  • Разрешение конкуренции процессов за ресурсы.
  • Планирование распределения ресурсов.
• Управление устройствами и ФС
  • Управление внешними запоминающими устройствами и файловой системой.
• Сетевое взаимодействие
  • Одиночный компьютер - почти немыслимое образование.
• Безопасность
  • Статическая - средства аутентификации, которые определяют набор прав и возможностей пользователя.
  • Динамическая - отслеживание процессов, которые могут привести к нарушению безопасности.

Типы операционных систем

Пакетная ОС

В нашем случае мультипроцессная.

• Определяется стратегией переключения с одного процесса на другой. Переключения происходят при возникновении следующих событий:
  • Выполнение процесса завершено.
  • Возникло прерывание.
  • Зацикливание процесса (прерывание по таймеру).

Такая система наиболее эффективно загружает процессор. Минимизация переключения между процессами.

• Эффективны в больших вычислениях.

Системы разделения времени

Квант времени ЦП - некоторый фиксированный ОС промежуток времени работы ЦП.

• Переключение выполнения процессов происходит:
  • Исчерпался выделенный квант времени.
  • Выполнение процесса завершено
  • Возникло прерывание.
  • Зацикливания процесса.
• Если квант малый, возможен процесс выполнения в интерактивном режиме (быстрый отклик).
  • Например, ввод буквы с клавиатуры. не требует больших вычислений и выполняется за квант времени
• Критерий эффективности - скорость отклика на запрос.
• Кванты времени могут быть разными для интерактивных/не интерактивных задач.

Модель организации планирования процесса

Множество пользователей одновременно запускают различные типы процессов.

• Если в системе появляется готовый к исполнению процесс с приоритетом выше исполняемого, ему выделяется квант времени соответствующего размера. Исполняемый процесс будт прерван и получит статус ожидания.
• -> работа зависит от того, каким образом будут определены приоритеты процессов.
• Само планирование процессов может занимать много времени.
• По картинке:
  • Днём, когда люди работают, лучше сделать приоритетными интерактивные задачи.
  • На втором месте - счёт-отладка.
  • Когда все ушли на обед, можно и основной счёт провести.
  • Рабочий день завершился. Теперь приоритетные процессы - отладочные.
  • Вторые - счёт.
  • Интерактивные труднодоступны.
  • Ночью - в первую очередь счёт.
  • Можно администраторские процессы сделать приоритетными.

ОС реального времени

Системы реального времени являются специализированными системами, в которых все функции планирования ориентированы на обработку фиксированного набора событий за время, не превосходящее некоторого предельного значения.

• Например, при работе автопилота самолёта.
  • Система получает показания с различных датчиков и в оперативном режиме принимает решение, какие действия нужно выполнить.
  • Время принятия решения ограничено.
• Система, гарантирующая обработку событий из некоторого набора определённых событий за время, не превышающее установленный предел времени для данного события.
• Часто для жёстких временных рамок (по последствиям) используются системы семейства UNIX.

Сетевые, распределённые ОС

Сетевая ОС - ОС, которая обеспечивает функции распределения приложений в сети.

• Например, система, управляющая высокопроизводительным кластером.

Распределённая ОС - ОС, функционирующая на многопроцессорном/многомашинном комплексе, в котором на каждом из узлов функционирует своё ядро, а также, система, обе печивающая распределение возможностей (ресурсов) ОС.