Примеры реализации ОС (на примере ОC Windows)
Инструментарий разработки и отладки компонент ОС
64. Утилиты по ОС Windows XP. Основные возможности инструментария по анализу и разработке компонент ОС: памяти, процессов и потоков, ввода-вывода, отладки. Использование дампа.
Основные концепции построения ОС.
0) Принцип модульности.
Модуль – функционально законченный элемент, выполняемый в соответствии с принятым межмодульным интерфейсом. Модуль выделяется по функциональному признаку. Модульная организация позволяет легко (из)заменять неправильно работающие модули в ОС.
1) Принцип функциональной избирательности.
Для организации эффективной работы ОС, необходимо выделить и хранить в ОЗУ некоторые модули, составляющие ядро:
· Модули по управлению системы прерываний;
· Средство управления выполнения программ (загрузка, приостановка, остановка);
· Модули по управлению процессом (распределение процессорного времени), т.е. диспетчеры программ;
· Модули по управлению выделения памяти. В зависимости от ОС в ядро могут ещё входить другие модули;
· Транзитные модули (загружаются в ОЗУ по мере необходимости, при нехватке ОЗУ могут быть выгружены).
2) Принцип генерируемости ОС.
Подразумевает собой возможность генерации ОС в зависимости от аппаратного обеспечения. Процесс генерации обычно производится один раз, перед достаточно долгим режимом эксплуатации. Для генерации необходимо наличие нескольких компонентов:
· Исходный код ОС;
· Компилятор с языка программирования на котором система написана;
· Специальная программа и входной язык для неё, который позволяет управлять процессом генерации.
3) Принцип функциональной избыточности.
В состав ОС должно входит несколько типов ПО для выполнения одинаковых функций (поддержка разных ФС).
4) Принцип виртуализации.
Позволяет представить ресурсы ОС в виде определённого набора планировщиков и мониторов и использует единую схему распределения ресурсов. Наибольшее проявление – концепция виртуальной машины (воспроизводит архитектуру реальной машины, но может обладать произвольными характеристиками).
5) Принцип независимости программ от внешних устройств.
Связь программ с конкретным внешним устройством производится не на этапе трансляции, а на этапе выполнения программы. Получается выгода: не нужна лишняя «перекомпиляция».
6) Принцип совместимости.
Способность выполнять программы для другой ОС или даже для другой аппаратной платформы.
2 уровня совместимости:
· По выполняемому коду (бинарная). Условия совместимости:
◦ На уровне команд процессора (одна и та же платформа);
◦ Совместимость на уровне библиотечных вызовов, если являются динамично связываемыми.
· По исходному коду . Требуется выполнение следующих условий:
◦ Наличие компилятора платформы, на котором написана программа;
◦ Совместимость на уровне системных вызовов;
◦ Совместимость на уровне библиотечных вызовов.
7) Принцип открытой наращиваемой ОС (открыт исходный код).
Целостность ОС сохраняется (UNIX).
8) Принцип мобильности (переносимости).
ОС должна легко переноситься на другую аппаратную платформу. Правила создания переносимых ОС:
· ОС должна быть написана на языке высокого уровня, для которой существует компилятор на аппаратной платформе.
· Необходимо избегать кода, который непосредственно работает с аппаратным обеспечением.
9) Принцип обеспечения безопасности и защиты.
19. Защита системы от пользователя;
20. Защита от несанкционированного доступа.
Архитектура ОС. Различают 3 базовых типа архитектуры операционных систем:
Монолитная архитектура;
ОС не имеет явно выраженной внутренней структуры. Это просто набор процедур, использующих общие глобальные данные, и вызываемые друг другом или пользователем.
Данную архитектуру имели самые первые поколения операционных систем.
· Имеются проблемы: расширяемости, переносимости исовместимости ОС;
Многоуровневая архитектура;
появилась как ответ на ограничения монолитной архитектуры в плане расширяемости, переносимости и совместимости.
Основная идея:
0) Полная функциональность операционной системы разделяется на уровни, например уровень управления аппаратурой, уровень управления памятью, уровень файловой системы, уровень управления процессами и т.п.
1) Для каждого уровня определяются интерфейс взаимодействия, т.е. некоторый набор правил, согласно которым следует обращаться за услугами данного уровня.
2) Взаимодействие уровней строится таким образом, что каждый уровень может обращаться за услугами только к соседнему нижележащему уровню через его интерфейс.
3) Внутренние структуры данных каждого уровня не доступны другим уровням, а реализации процедур уровня скрыты и не зависят от реализаций процедур внутри других уровней.
Обязательное условие для разбиения функциональности на уровни – взаимодействие только между соседними уровнями. Запрещаются прямые обращения к любым уровням, минуя соседний уровень.
Характерно вертикальное иерархическое распределение функциональности.
Архитектура типа клиент-сервер на основе микроядра.
Является наиболее совершенной с точки зрения расширяемости и переносимости операционных систем.
Идея: все компоненты ОС разделяются на программы–поставщики услуг (программы серверы, выполняющие определенные действия по запросам других программ), и программы–потребители услуг (программы клиенты, обращающиеся к серверам для выполнения определенных действий).
Запущенные в системе процессы-серверы постоянно находится в состоянии ожидания клиентских запросов. Клиенты посылают серверам запросы на оказание требуемых им услуг, которые сервер выполняет, после чего отсылает клиенту сообщение о завершении задания и результаты работы.
Клиенты и серверы не общаются напрямую. Если процесс нуждается в услугах со стороны ОС, то он посылает соответствующее сообщение диспетчеру в составе микроядра ОС. Получив запрос, микроядро определяет сервер, который может его обслужить, пробуждает его процесс и переадресовывает ему запрос клиента. При этом микроядро само является сервером по отношению к запросам, связанным с управлением аппаратурой. При выполнения запросов от пользовательских программ, системные серверы, обращаются за аппаратно-зависимыми услугами к микроядру, при этом сами серверы операционной системы выполняются в режиме задачи, наравне с пользовательскими процессами, и не имеют прямого доступа к аппаратуре.
Характерно горизонтальное разделение функциональности между равноправными серверами. При этом, каждый сервер отвечает за выполнение отдельной достаточно простой операции и ни в коей мере не является эквивалентом уровня в многоуровневой архитектуре.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОС
Материал к лекции
(по Таненбауму)
Принцип модульности
Под модулем
.
Однократно используемыми
Многократно используемые
- привилегированные,
- повторно входимые и
- реентерабельные модули.
Привилегированные
Непривилегированные модули
Противоположны им реентерабельные модули
Чаще используется динамический метод .
Существуют еще и повторно входимые
Принцип генерируемости ОС
Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач.
Эта процедура проводится редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС.
Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.
Упомянутый раньше принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы.
В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть - модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных.
В остальных современных распространенных ОС для персональных компьютеров конфигурирование ОС под соответствующий состав оборудования осуществляется на этапе инсталляции, а потом состав драйверов и изменение некоторых параметров ОС может быть осуществлено посредством редактирования конфигурационного файла.
Принцип виртуализации
Построение виртуальных ресурсов, их распределение и использование теперь используется практически в любой ОС. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.
Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать их программы, написанные на определенном языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительной системы, способы эффективного использования ее компонентов и подсистем. Он мыслит и работает с машиной в терминах используемого им языка и тех ресурсов, которые ему предоставляются в рамках виртуальной машины.
Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:
Единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных - в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования;
Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям на уровне используемого языка в терминах управления процессами;
Произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответствующей системы управления файлами. Предусмотрено расширение информационных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.
Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большей или меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности у полученной пользователем машины.
Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Другими словами, речь идет об организации нескольких операционных сред.
Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности.
Примером реализации принципа виртуализации может служить VDM-машина (virtual DOS machine) - защищенная подсистема, предоставляющая полную среду MS-DOS и консоль для выполнения MS-DOS приложений. Одновременно может выполняться практически произвольное число VDM-сессий. Такие VDM-машины имеются и в системах Microsoft Windows, и в OS/2.
Принцип совместимости
Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.
Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.
Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.
Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, программу для ПК типа IBM PC желательно выполнить на ПК типа Macintosh фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. В таком случае процессор типа 680x0 (или PowerPC) на Мае должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 180x86. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.
Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Использование стандарта POSIX позволяет создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОС
1.1. Принцип модульности - основной принцип построения ОС состоит в выделении отдельных функций и оформление их в виде отдельных блоков - "модульный принцип построения". Модуль - программный блок, который реализует определенную функцию и выполнен в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. Привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули.
1.2. Принцип функциональной избирательности - выделенная часть важных функций, реализуемых резидентным ядром ОС (управление процессами, памятью, устройствами вв и защита данных). Другие в виде транзитных для ОП программных модулей - вызываемых по необходимости.
1.3. Принцип функциональной избыточности - проведение работы различными средствами имеющимися в системе.
1.4. Принцип генерируемости ОС - возможность изменения конфигурации системы, в зависимости от функций ВС и назначения ОС.
1.5. Принцип виртуализация - построение виртуальных ресурсов различных уровней, от виртуальной машины до виртуальных устройств с новыми или улучшенными характеристиками.
1.6. Принцип независимости программ от внешних устройств - связь программ с устройствами в производится не на уровне трансляции, а в период ее исполнения. При этом перетрансляция программы для работа с другим или новым устройством не требуется.
1.7. Принцип совместимости - способность выполнять программы написанные для других ОС и версий ОС. Двоичная совместимость и совместимость на уровне исходных кодов. Программы для процессоров разных архитектур.
1.8. Принцип открытости и наращиваемости ОС - использует не только настройки и конфигурации но и доступна для анализа специалистами на всех уровнях и ввода в состав новых модулей (функций).
1.9. Принцип мобильности (переносимость) ОС - легкость переноса на новые аппаратные платформы (исходные тексты на языке высокого уровня, ограниченная зависимость ядра от оборудования и др)
1.10. Принцип обеспечение безопасных вычислений
Защита ресурсов одного пользователя от других;
Установление квот по ресурсам для предотвращения захвата всех;
Защита информации от несанкционированного доступа.
Материал к лекции
«Архитектура операционных систем
Основные принципы построения операционных систем»
(по Таненбауму)
Среди множества принципов, которые используются при построении ОС, перечислим несколько наиболее важных
Принцип модульности
Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.
По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов.
Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот).
Мы говорим о системных программных модулях (они являются программными ресурсами и могут быть распределены между выполняющимися процессами).
Программные модули могут быть однократно и многократно используемыми .
Однократно используемыми назвают такие модули, которые могут быть правильно выполнены только один раз. Т.е. в процессе выполнения они могут испортить себя (повреждается часть кода или исходные данные). Очевидно, что они являются неделимыми ресурсами. Эти модули обычно используются на этапе загрузки ОС (файлы на системном диске, в которых записаны эти модули при этом не портятся, поэтому могут быть использованы при следующих запусках).
Многократно используемые программные модули делятся на
- привилегированные,
- повторно входимые и
- реентерабельные модули.
Привилегированные работают в привилегированном режиме (т.е. при отключенной системе прерываний). Таким образом, никакие внешние события не могут нарушить порядок их выполнения). Эти модули являются попеременно разделяемым ресурсом.
Непривилегированные модули – это обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы.
(В общем случае их нельзя считать разделяемыми, так как после прерывания выполнения такого модуля, исполняемого в рамках одного процесса, запусить его еще раз по требованию другого процесса, то промежуточные результаты прерванных вычислений могут быть потерянными.
Противоположны им реентерабельные модули (reenterable – допускающий повторное обращение).
Они допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный запуск.
Для этого они создаются таким образом, чтобы было обеспечено сохранение промежуточных вычислений и возврат с прерванной точки. Это может быть реализовано двумя способами: с помощью статических и динамических методов выделения памяти под сохраняемые значения.
Чаще используется динамический метод .
С помощью обращения из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения текущих данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало выделенной области и ее объем. Теперь включается система прерываний (завершилась привилегированная част модуля). Поэтому возможно прерывание во время выполнения основной части модуля. Если прерывание не возникает, то после завершения основной части модуля выполняется запрос на освобождение блока системной области памяти. Если возникает прерывание и другой процесс обращается к этому же самому реентерабельному модулю, для нового процесса вновь заказывается новый блок памяти и на вершину стека записывается новый указатель.
При статическом способе выделения памяти заранее для фиксированного числа процессов резервируются области памяти, в которых будут располагаться переменные реентерабельных модулей. Для каждого процесса – своя область.
Чаще всего такими процессами являются процессы ввода\вывода и речь идет о реентерабельных драйверах, которые могут управлять параллельно несколькими однотипными устройствами).
Существуют еще и повторно входимые (re-entrance) модули. Они также допускают многократное паралльное использование, но в отличие от реентерабельных, их нельзя прерывать. Они состоят из привилегированных секций и повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из секций. Другими словами, в повторно входимых модулях четко предопределены все допустимые точки входа.
Заметим, что повторно входимые модули встречаются чаще, чем реентерабельные.
Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.
1. Частотный принцип.
Этот принцип основан на выделении в алгоритмах программ и в обрабатываемых массивах действий и данных по частоте их использования. Действия и данные, используемые часто, располагаются в оперативной памяти, т.к. к ним необходим быстрый доступ. К тому же стремятся наиболее часто выполняемые операции оптимизировать по времени выполнения и по занимаемой памяти.
Следствия от применения частотного принципа – это применение многоуровневого планирования при организации работы ОС. На уровень долгосрочного планирования выносятся редкие и длинные операции управления деятельностью системы. Краткосрочному планированию подвергаются часто используемые и короткие операции.
2. Принцип модульности.
Это принцип в равной степени отражает технологические и эксплуатационные свойства. Наибольший эффект от его использования достигается в том случае, когда принцип одновременно распространен на ОС, аппаратуру и прикладные программы.
Под модулем в общем случае понимают функциональный элемент рассматриваемой системы, имеющей законченное оформление и выполненный в пределах требования ОС, а также средства сопряжения с подобными элементами или элементами более высокого уровня данной или другой системы.
Модуль предполагает лёгкий способ его замены на другой модуль, при наличии заданных интерфейсов. Чаще всего разделение на модули происходит по функциональному признаку.
Модули могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Если модуль после окончания работы не восстанавливается в исходное состояние, то он называется однократным. Если модуль в процессе работы искажает своё состояние, но перед окончанием работы восстанавливается в исходное состояние, то его называют многократным. Особое значение при построении ОС имеют модули, называемые параллельно используемыми или реентерабельными. Каждый такой модуль может использоваться одновременно несколькими программами. Это позволяет хранить в памяти только одну копию такого модуля.
3. Принцип функциональной избирательности.
В ОС выделяется некоторая часть особо важных модулей, которые должны быть в оперативной памяти постоянно для эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть обычно называют ядром ОС.
При формировании ядра необходимо удовлетворить двум противоречивым требованиям:
– в состав ядра должны войти наиболее часто используемые модули;
– количество модулей должно быть таким, чтобы не занимать много оперативной памяти;
В состав ядра входят модули по управлению системой прерываний, средства перевода процессов с одного состояния в другое, средства распределения оперативной памяти. Программы, входящие в состав ядра, обычно загружаются в оперативную память и называются резидентными.
Помимо резидентных программ существуют транзитные модули или программы, которые загружаются только при необходимости и могут перекрывать в оперативной памяти друг друга.
4. Принцип генерируемости.
Определяет такой способ исходного представления ОС, который позволял бы настраивать эту системную программу, исходя из конкретной конфигурации используемой машины и круга решаемых задач.
Процедура генерации проводится достаточно редко, а процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и входного языка для неё, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Исходный набор программ ОС, из которого производится генерация называется дистрибутивом.
5. Принцип функциональной избыточности.
Предполагает возможность проведения одной и той же работы различными средствами, т.е. ОС допускает альтернативное выполнение одних и тех же заданий в различных режимах своего функционирования.
6. Принцип по умолчанию.
Принцип основан на хранении в системе некоторых базовых описании, структур процесса, модулей, конфигурации оборудования и данных, определяющих прогнозируемые объемы требуемой памяти, времени счета программы, потребности во внешних устройствах, которые характеризуют пользовательские программы и условия их выполнения.
Эту информацию пользовательская система использует в качестве заданной, если она не будет определена или сознательно конкретизирована. В целом применение этого принципа позволяет сократить число параметров, устанавливаемых пользователем, когда он работает с системой.
7. Принцип перемещаемости.
Предусматривает построение модулей таким образом, что их исполнение не зависит от места расположения в оперативной памяти. Настройка текста модуля в соответствии с его расположением в памяти осуществляется специальными механизмами либо непосредственно пред выполнением программы, либо по мере по мере ее выполнения.
Настройка заключается в определении фактических адресов, используемых в адресных частях команды, и определяется применяемым в конкретной машине способом адресации и алгоритмом распределения оперативной памяти, принятым для данной ОС.
Этот принцип целесообразно распространять и на пользовательские программы.
8. Принцип защиты.
Определяет необходимость разработки мер, ограждающих программы и данные пользователя от искажения и нежелательного влияния друг на друга, а также пользователя на ОС и наоборот. Особенно трудно обеспечить защиту, когда используется разделение ресурсов.
Программы должны быть гарантированно защищены как при выполнении, так и при хранении, хотя попыток испортить и нанести нежелательный эффект пользовательским программам совершается множество.
Реализуется несколько подходов для обеспечения защиты.
Одним из направлений является реализация двухконтекстности работы процессора: в каждый момент времени процессор может выполнять программу из состава ОС либо прикладную или служебную программу, не входящую в состав ОС.
Второе направление состоит в том, чтобы гарантировать невозможность непосредственного доступа к любому разделяемому ресурсу со стороны пользовательских и служебных программ, для чего в состав машинных команд вводятся специальные привилегированные команды, управляющие распределением и использованием ресурсов. Такие команды разрешается выполнять только ОС. Контроль за выполнением привилегированных команд производится аппаратно.
Для реализации принципов защиты может использовать контекстный механизм защиты данных и текста программ, находящийся в операционной памяти. Для программ пользователей выделяются определенные участки памяти и выход за пределы этих участков приводит к возникновению прерываний по защите. Механизм контроля реализуется аппаратным способом, путем применения ограничительных регистров или ключей памяти.
Третье направление реализует механизм защиты данных, хранящихся в памяти, используются подходы, основанные на разграничении прав доступа, введении паролей, контроле за правильной интерпретацией данных, записанных в файле.
9. Принцип независимости программ от внешних устройств.
Позволяет выполнять операции управления внешними устройствами независимо от их конкретных физических характеристик. Связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программ, а в период планирования ее выполнения. При подключении новых устройств или замене существующих, текст программ не изменяется, а осуществляется подключение нового устройства к ОС путём подключения специальной программы, обеспечивающей взаимодействие ОС с внешним устройством. Такие программы называются драйверами.
10. Принцип открытой и наращиваемой операционной системы.
Открытая ОС доступна пользователю и специалисту, обслуживающему машину, а возможность наращивания или модификации операционной системы позволяет использовать не только возможности генерации, но вводить в операционную систему новые модули или модифицировать существующие.
Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности . Под модулемоперационной системы в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность относительно легкой замены его на другой при наличии заданных интерфейсов. Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот). Особо важное значение при построении ОС имеют реентерабельные программные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы (под реентерабельностью понимают свойство программы, позволяющее одновременно выполнять эту программу нескольким процессам). Достижение реентерабельности реализуется различными способами. В некоторых системах реентерабельность программы получают автоматически благодаря неизменяемости кодовых частей программ при исполнении (из-за особенностей системы команд машины), а также автоматическому распределению регистров, автоматическому отделению кодовых частей программ от данных и помещению последних в системную область памяти. Естественно, что для этого необходима соответствующая аппаратная поддержка. В других случаях это достигается программистами за счет использования специальных системных модулей. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.
В ОС выделяется некоторая часть важных программных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ОС называют ядром операционной системы , так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра необходимо учитывать два противоречивых требования. Во-первых, в состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули. Во-вторых, количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули управления системой прерываний, средства по переводу процессов из состояния выполнения в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получили название транзитных . Транзитные программные модули операционной системы загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима термина «транзитный» иногда используется термин «диск-резидентный».
Основное положение принципа генерируемости ОС определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную часть исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта процедура проводится редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных. Упомянутый выше принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительного комплекса.
Принцип функциональной избыточности учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами. В состав ОС может входить несколько модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса, несколько систем управления файлами, различные средства организации коммуникаций между вычисли-тельными процессами. Это позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительного комплекса, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств и получить максимальную производительность при решении конкретного класса задач.
Принцип виртуализации позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов. Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате пользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать их программы, написанные на определенном языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительного комплекса, способы эффективного использования его компонентов и подсистем. Он мыслит и работает в терминах используемого им языка и тех ресурсов, которые ему предоставляются в рамках виртуальной машины. Обычно виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:
1.Единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных (в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования);
2. Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям на уровне используемого языка в терминах управления процессами;
3. Произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, который инициирует работу этих устройств;
4. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответствующей системы управления файлами. Предусмотрено расширение информационных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.
Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большей или меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной», и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности у полученной пользователем машины. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Другими словами, речь идет об организации нескольких операционных сред. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности.
Принцип независимости программ от внешних устройств реализуется сейчас в подавляющем большинстве современных ОС. Этот принцип заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее исполнения. В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Указанный принцип позволяет осуществлять операции управления внешними устройствами одинаково и независимо от их конкретных физических характеристик. Например, программе, содержащей операции обработки последовательного набора данных, безразлично, на каком носителе эти данные будут располагаться. Смена носителя и данных, размещаемых на них (при неизменности структурных характеристик данных), не привнесет каких-либо изменений в программу, если в системе реализован принцип независимости.
Одним из аспектов принципа совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы. Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение под другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми. Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль. Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы одна машина выполняла программы другой машины, она должна работать с машинными командами, которые ей изначально непонятны. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является их соответствие стандартам POSIX . Использование стандартов POSIX позволяет создавать программы, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.
Принцип открытой и наращиваемой (модифицируемой, развиваемой ) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Другими словами, необходимо, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить при этом целостность системы. Хорошие возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии (см. подраздел 5.2). В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг – «серверов» . Основная часть ОС остается неизменной, но в то же время могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как принцип расширяемости системы .
Принцип мобильности (переносимости) заключается в том, что операционная система должна относительно легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа (которая включает наряду с типом процессора также и способ организации всей аппаратуры машины, иначе говоря, архитектуру ВМ) на аппаратную платформу другого типа. Заметим, что принцип переносимости очень близок принципу совместимости, хотя это и не одно и то же. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода. При этом нужно следовать некоторым правилам. Во-первых, большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах или системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. Это, прежде всего, означает, что ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является в общем случае переносимой. Во-вторых, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами. Наконец, если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в программно задаваемые данные абстрактного типа. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют. Именно введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения.
Принцип обеспечения безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов. Обеспечение защиты информации от несанкци-онированного доступа является обязательной функцией операционных систем. В соответствии со стандартами Национального центра компьютерной безопасности США (NCSC – National Computer Security Center) безопасной считается система, которая «посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полномочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации». Иерархия уровней безопасности отмечает низший уровень безопасности как D , а высший – как А . В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов. Основными свойствами, характерными для систем класса (уровня) С , являются наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. На уровне С должны присутствовать:
а) средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе;
б) избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать (владелец осуществляет это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей);
в) средства учета и наблюдения, обеспечивающие возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопас-ностью, или любые попытки получить доступ или удалить системные ресурсы;
г) защита памяти, заключающаяся в том, что память инициализи-руется перед тем, как повторно используется.
На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но поведение его может быть проконтролировано по записям в журнале, составленным средствами наблюдения и аудита. Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользователей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа. Каждому пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя. Уровень А является самым высоким уровнем безопасности и в дополнение ко всем требованиям уровня В требует выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности.
Архитектура операционных систем Основные принципы построения операционных систем Основные принципы построения операционных систем Принцип модульности Принцип модульности Принцип функциональной избирательности Принцип функциональной избирательности Принцип генерируемости ОС Принцип генерируемости ОС Принцип функциональной избыточности Принцип функциональной избыточности Принцип виртуализации Принцип виртуализации Принцип независимости программ от внешних устройств Принцип независимости программ от внешних устройств Принцип совместимости Принцип совместимости Принцип открытой и наращиваемой ОС Принцип открытой и наращиваемой ОС Принцип мобильности (переносимости) Принцип мобильности (переносимости) Принцип обеспечения безопасности вычислений Принцип обеспечения безопасности вычислений
Принцип модульности Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Особо важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. Особо важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.
Принцип функциональной избирательности В ОС выделяется некоторая часть важных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ОС называют ядром, так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра требуется учитывать два противоречивых требования. В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули. Количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули по управлению системой прерываний, средства по переводу программ из состояния счета в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор.
Принцип функциональной избирательности Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима к термину «транзитный» можно использовать термин «диск-резидентный». В качестве синонима к термину «транзитный» можно использовать термин «диск-резидентный».
Принцип генерируемости ОС Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную супервизорную часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта процедура проводится редко, перед протяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы- генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. Эта процедура проводится редко, перед протяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы- генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных. В результате генерации получается полная версия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.
Принцип генерируемости ОС Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. Принцип генерируемости существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. В наши дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно столкнуться разве что только при работе с Linux. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. В этой UNIX-системе имеется возможность не только использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро, которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем задач. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро системы, а часть модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных.
Принцип функциональной избыточности Этот принцип учитывает возможность проведения одной и той же работы различными средствами. В состав ОС может входить несколько типов мониторов (модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса), различные средства организации коммуникаций между вычислительными процессами. Наличие нескольких типов мониторов, нескольких систем управления файлами позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечить максимально эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач, получить максимальную производительность при решении заданного класса задач.
Принцип виртуализации Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов. Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правилам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реальные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией.
Принцип виртуализации Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками: единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования; единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неограниченного объема. Среднее время доступа соизмеримо со значением этого параметра оперативной памяти. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования;
Принцип виртуализации произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям; произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления процессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям; произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа. произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных работать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа.
Принцип виртуализации Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следовательно, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем больше степень виртуальности. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой возможности.
Принцип независимости программ от внешних устройств Этот принцип заключается в том, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования её исполнения. В результате перекомпиляция при работе программы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами независимо от их конкретных физических характеристик. Например, программе, содержащей операции обработки последовательного набора данных, безразлично, на каком носителе эти данные будут располагаться. Смена носителя и данных, размещаемых на них (при неизменности структурных характеристик данных), не принесет каких- либо изменений в программу, если в системе реализован принцип независимости.
Принцип совместимости Это способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы. Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.
Принцип совместимости Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль. Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, программу для ПК типа IBM PC желательно выполнить на ПК типа Macintosh фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред или эмуляторов. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Использование стандарта POSIX позволяет создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.
Принцип открытой и наращиваемой ОС Открытая ОС доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам, обслуживающим вычислительную систему. Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) ОС позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Необходимо, чтобы можно было внести дополнения и изменения, и не нарушить целостность системы. Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиентсервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг «серверов». Основная часть ОС остается неизменной и в то же время могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как расширяемость системы. К открытым ОС, прежде всего, следует отнести UNIX-системы и, естественно, ОС Linux.
Принцип мобильности (переносимости) Операционная система относительно легко должна переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и архитектуру вычислительной системы) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Принцип переносимости очень близок принципу совместимости, но это не одно и то же Большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. Это, прежде всего, означает, что ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является в общем случае переносимой.
Принцип мобильности (переносимости) 2. 2.Важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами Если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно- зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно- зависимую структуру в программно задаваемые данные абстрактного типа. Введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения. Введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого программного обеспечения.
Принцип обеспечения безопасности вычислений Обеспечение безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов (таких, как память). Обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа является обязательной функцией сетевых операционных систем. Во многих современных ОС гарантируется степень безопасности данных, соответствующая уровню С2 в системе стандартов США.
Принцип обеспечения безопасности вычислений Безопасной считается система, которая «посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полномочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации». Иерархия уровней безопасности, приведенная в стандартах, помечает низший уровень безопасности как D, а высший как А. В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов.
Принцип обеспечения безопасности вычислений Основными свойствами, характерными для систем класса С, являются наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. Класс (уровень) С делится на 2 подуровня: уровень С1, обеспечивающий защиту данных от ошибок пользователей, но не от действий злоумышленников; и уровень С2. На уровне С2 должны присутствовать: средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе; избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать. Владелец делает это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей;
Принцип обеспечения безопасности вычислений средства учета и наблюдения (auditing), обеспечивающие возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопасностью, или любые попытки создать, получить доступ или удалить системные ресурсы; защита памяти, заключающаяся в том, что память инициализируется перед тем, как повторно используется. Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользователей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа. Каждому пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя.
Принцип обеспечения безопасности вычислений Уровень А является самым высоким уровнем безопасности, он требует в дополнение ко всем требованиям уровня В выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности. А-уровень безопасности занимает своими управляющими механизмами до 90 % процессорного времени. Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе. Например, для ОС Solaris (версия UNIX) есть несколько тысяч приложений, а для ее аналога В-уровня только около ста.
Микроядерные операционные системы Микроядро это минимальная стержневая часть операционной системы, служащая основой модульных и переносимых расширений. В микроядре содержится и исполняется минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. В число этих вызовов входят передача сообщений и организация другого общения между внешними по отношению к микроядру процессами, поддержка управления прерываниями, а также ряд некоторых других функций. Остальные функции, обеспечиваются как модульные дополнения-процессы, взаимодействующие главным образом между собой и осуществляющие взаимодействие посредством передачи сообщений. Микроядро является маленьким, передающим сообщения модулем системного программного обеспечения, работающим в наиболее приоритетном состоянии компьютера и поддерживающим остальную часть операционной системы, рассматриваемую как набор серверных приложений.
Микроядерные операционные системы Микроядро включает только те функции, которые требуются для определения набора абстрактных сред обработки для прикладных программ и для организации совместной работы приложений в обеспечении сервисов и в действии клиентами и серверами. В результате микроядро обеспечивает только пять различных типов сервисов: управление виртуальной памятью; задания и потоки; межпроцессные коммуникации (IPC - inter-process communication, межпроцессные коммуникации); управление поддержкой ввода/вывода и прерываниями; сервисы набора хоста (host - главный компьютер. Сейчас этим термином обозначают любой компьютер, имеющий IP- адрес) и процессора.
Микроядерные операционные системы Наиболее ярким представителем микроядерных ОС является ОС реального времени QNX. Микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Микроядро может быть целиком размещено во внутреннем кэше даже таких процессоров, как Intel 486. Разные версии этой ОС имели и различные объемы ядер от 8 до 46 Кбайт. Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает процессы, управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств.
Монолитные операционные системы В монолитной ОС, несмотря на ее возможную сильную структуризацию, очень трудно удалить один из уровней многоуровневой модульной структуры. Добавление новых функций и изменение существующих для монолитных ОС требует очень хорошего знания всей архитектуры ОС и чрезвычайно больших усилий. При поддержке монолитных ОС возникает ряд проблем, связанных с тем, что все функции макроядра работают в едином адресном пространстве: 1. 1.это опасность возникновения конфликта между различными частями ядра; 2. 2.сложность подключения к ядру новых драйверов.
ОС реального времени Система реального времени (СРВ) должна давать отклик на любые непредсказуемые внешние воздействия в течение предсказуемого интервала времени. Для этого должны быть обеспечены следующие свойства: Ограничение времени отклика, то есть после наступления события реакция на него гарантированно последует до предустановленного крайнего срока. Отсутствие такого ограничения рассматривается как серьезный недостаток про граммного обеспечения. Одновременность обработки: даже если наступает более одного события одновременно, все временные ограничения для всех событий должны быть выдержаны. Это означает, что системе реального времени должен быть присущ параллелизм. Параллелизм достигается использованием нескольких процессоров в системе и/или многозадачного подхода.
ОС реального времени Различают системы «мягкого» и «жесткого» реального времени. Различие между жесткой и мягкой СРВ зависит от требований к системе система считается жесткой, если «нарушение временных ограничений не допустимо», и мягкой, если «нарушение временных ограничений нежелательно». Нет мягких или жестких ОСРВ. ОСРВ может только служить основой для построения мягкой или жесткой СРВ. Сама по себе ОСРВ не препятствует тому, что ваша СРВ будет мягкой.
Мультипрограммность и многозадачность ОСРВ ОС должна быть мультипрограммной и многозадачной (многопоточной multi- threaded) по принципу абсолютного приоритета (прерываемой) и активно использовать прерывания для диспетчеризации. Планировщик должен иметь возможность прервать любой поток и предоставить ресурс тому потоку, которому он более необходим. ОС (и аппаратура) должны также обеспечивать прерывания на уровне обработки прерываний.
Наличие приоритетов задач (потоков) в ОСРВ В ОС должно существовать понятие приоритета потока. В ОС должно существовать понятие приоритета потока. В идеальной ситуации ОСРВ отдает ресурс потоку или драйверу с ближайшим крайним сроком (это называется управлением временным ограничением, deadline driven OS). Чтобы реализовать это временное ограничение, ОС должна знать сколько времени требуется каждому из выполняющихся потоков для завершения. ОС, построенных по этому принципу, практически нет, так как он слишком сложен для реализации.
Наследование приоритетов в ОСРВ ОС должна существовать система наследования приоритетов. Комбинация приоритетов тредов и разделения ресурсов между ними приводит к проблеме инверсии приоритетов. Это можно проиллюстрировать на примере, когда есть как минимум три треда. Когда тред низшего приоритета захватил ресурс, разделяемый с тредом высшего приоритета, и начал выполняться поток среднего приоритета, выполнение треда высшего приоритета будет приостановлено, пока не освободится ресурс и не отработает тред среднего приоритета. В этой ситуации время, необходимое для завершения треда высшего приоритета, зависит от нижних приоритетных уровней, это и есть инверсия приоритетов. Комбинация приоритетов тредов и разделения ресурсов между ними приводит к проблеме инверсии приоритетов. Это можно проиллюстрировать на примере, когда есть как минимум три треда. Когда тред низшего приоритета захватил ресурс, разделяемый с тредом высшего приоритета, и начал выполняться поток среднего приоритета, выполнение треда высшего приоритета будет приостановлено, пока не освободится ресурс и не отработает тред среднего приоритета. В этой ситуации время, необходимое для завершения треда высшего приоритета, зависит от нижних приоритетных уровней, это и есть инверсия приоритетов.
Наследование приоритетов в ОСРВ Чтобы устранить такие инверсии, ОСРВ должна допускать наследование приоритета, то есть повышение уровня приоритета треда до уровня треда, который его вызывает. Наследование означает, что блокирующий ресурс тред наследует приоритет треда, который он блокирует (разумеется, это справедливо лишь в том случае, если блокируемый тред имеет более высокий приоритет). Чтобы устранить такие инверсии, ОСРВ должна допускать наследование приоритета, то есть повышение уровня приоритета треда до уровня треда, который его вызывает. Наследование означает, что блокирующий ресурс тред наследует приоритет треда, который он блокирует (разумеется, это справедливо лишь в том случае, если блокируемый тред имеет более высокий приоритет).
Синхронизация процессов и задач в ОСРВ ОС должна обеспечивать мощные, надежные и удобные механизмы синхронизации задач. Так как задачи разделяют данные (ресурсы) и должны сообщаться друг с другом, должны существовать механизмы блокирования и коммуникации. Необходимы механизмы, гарантированно предоставляющие возможность параллельно выполняющимся задачам и процессам оперативно обмениваться сообщениями и синхросигналами. Эти системные механизмы должны быть всегда доступны процессам, требующим реального времени. Следовательно, системные ресурсы для их функционирования должны быть распределены заранее.
Предсказуемость ОСРВ Поведение ОС должно быть известно и достаточно точно прогнозируемо. Времена выполнения системных вызовов и временные характеристики поведения системы в различных обстоятельствах должны быть известны разработчику. Поэтому создатель ОСРВ должен приводить следующие характеристики: латентную задержку прерывания (то есть время от момента прерывания до момента запуска задачи): она должна быть предсказуема и согласована с требованиями приложения. Эта величина зависит от числа одновременно «висящих» прерываний; максимальное время выполнения каждого системного вызова. Оно должно быть предсказуемо и не зависимо от числа объектов в системе; максимальное время маскирования прерываний драйверами и ОС.
