Ядро ОС UNIX


Как и в любой другой многопользовательской операционной системе, обеспечивающей защиту пользователей друг от друга и защиту системных данных от любого непривилегированного пользователя, в ОС UNIX имеется защищенное ядро, которое управляет ресурсами компьютера и предоставляет пользователям базовый набор услуг.

Следует заметить, что удобство и эффективность современных вариантов ОС UNIX не означает, что вся система, включая ядро, спроектирована и структуризована наилучшим образом. Как мы показали в первой части курса, ОС UNIX развивалась на протяжении многих лет (это первая в истории операционная система, которая продолжает завоевывать популярность в таком зрелом возрасте - уже больше 25 лет). Естественно, наращивались возможности системы, и, как это часто бывает в больших системах, качественные улучшения структуры ОС UNIX не поспевали за ростом ее возможностей.

В результате, ядро большинства современных коммерческих вариантов ОС UNIX (как мы отмечали ранее, почти все они основаны на UNIX System V) представляет собой не очень четко структуризованный монолит большого размера. По этой причине программирование на уровне ядра ОС UNIX продолжает оставаться искусством (если не считать отработанной и понятной технологии разработки драйверов внешних устройств). Эта недостаточная технологичность организации ядра ОС UNIX многих не удовлетворяет. Отсюда стремление к полному воспроизведению среды ОС UNIX при полностью иной организации системы (в частности, с применением микроядерного подхода, который мы кратко рассмотрим в конце курса).

По причине наибольшей распространенности в этом подразделе мы в основном обсуждаем ядро UNIX System V (можно считать его традиционным). В конце курса мы обсудим отличия в организации ядра других ветвей иерархии вариантов ОС UNIX.

Общая организация традиционного ядра ОС UNIX
Одно из основных достижений ОС UNIX состоит в том, что система обладает свойством высокой мобильности. Смысл этого качества состоит в том, что вся операционная система, включая ее ядро, сравнительно просто переносится на различные аппаратные платформы. Все части системы, не считая ядра, являются полностью машинно-независимыми. Эти компоненты аккуратно написаны на языке Си, и для их переноса на новую платформу (по крайней мере, в классе 32-разрядных компьютеров) требуется только перекомпиляция исходных текстов в коды целевого компьютера.

Конечно, наибольшие проблемы связаны с ядром системы, которое полностью скрывает специфику используемого компьютера, но само зависит от этой специфики. В результате продуманного разделения машинно-зависимых и машинно-независимых компонентов ядра (видимо, с точки зрения разработчиков операционных систем, в этом состоит наивысшее достижение разработчиков традиционного ядра ОС UNIX) удалось добиться того, что основная часть ядра не зависит от архитектурных особенностей целевой платформы, написана полностью на языке Си и для переноса на новую платформу нуждается только в перекомпиляции.

Однако сравнительно небольшая часть ядра является машинно-зависимой и написана на смеси языка Си и языка ассемблера целевого процессора. При переносе системы на новую платформу требуется переписывание этой части ядра с использованием языка ассемблера и учетом специфических черт целевой аппаратуры. Машинно-зависимые части ядра хорошо изолированы от основной машинно-независимой части, и при хорошем понимании назначения каждого машинно-зависимого компонента переписывание машинно-зависимой части является в основном технической задачей (хотя и требует высокой программистской квалификации).

Машинно-зависимая часть традиционного ядра ОС UNIX включает следующие компоненты:

раскрутка и инициализация системы на низком уровне (пока это зависит от особенностей аппаратуры);
первичная обработка внутренних и внешних прерываний;
управление памятью (в той части, которая относится к особенностям аппаратной поддержки виртуальной памяти);
переключение контекста процессов между режимами пользователя и ядра;
связанные с особенностями целевой платформы части драйверов устройств.
Основные функции
К основным функциям ядра ОС UNIX принято относить следующие:

(a) Инициализация системы - функция запуска и раскрутки. Ядро системы обеспечивает средство раскрутки (bootstrap), которое обеспечивает загрузку полного ядра в память компьютера и запускает ядро.

(b) Управление процессами и нитями - функция создания, завершения и отслеживания существующих процессов и нитей ("процессов", выполняемых на общей виртуальной памяти). Поскольку ОС UNIX является мультипроцессной операционной системой, ядро обеспечивает разделение между запущенными процессами времени процессора (или процессоров в мультипроцессорных системах) и других ресурсов компьютера для создания внешнего ощущения того, что процессы реально выполняются в параллель.

(c) Управление памятью - функция отображения практически неограниченной виртуальной памяти процессов в физическую оперативную память компьютера, которая имеет ограниченные размеры. Соответствующий компонент ядра обеспечивает разделяемое использование одних и тех же областей оперативной памяти несколькими процессами с использованием внешней памяти.

(d) Управление файлами - функция, реализующая абстракцию файловой системы, - иерархии каталогов и файлов. Файловые системы ОС UNIX поддерживают несколько типов файлов. Некоторые файлы могут содержать данные в формате ASCII, другие будут соответствовать внешним устройствам. В файловой системе хранятся объектные файлы, выполняемые файлы и т.д. Файлы обычно хранятся на устройствах внешней памяти; доступ к ним обеспечивается средствами ядра. В мире UNIX существует несколько типов организации файловых систем. Современные варианты ОС UNIX одновременно поддерживают большинство типов файловых систем.

(e) Коммуникационные средства - функция, обеспечивающая возможности обмена данными между процессами, выполняющимися внутри одного компьютера (IPC - Inter-Process Communications), между процессами, выполняющимися в разных узлах локальной или глобальной сети передачи данных, а также между процессами и драйверами внешних устройств.

(f) Программный интерфейс - функция, обеспечивающая доступ к возможностям ядра со стороны пользовательских процессов на основе механизма системных вызовов, оформленных в виде библиотеки функций.

В следующих разделах этой части курса и, более подробно, в третьей части курса мы будем знакомиться с базовыми возможностями ядра ОС UNIX.

Принципы взаимодействия с ядром
В любой операционной системе поддерживается некоторый механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться за услугами ядра ОС. В операционных системах наиболее известной советской вычислительной машины БЭСМ-6 соответствующие средства общения с ядром назывались экстракодами, в операционных системах IBM они назывались системными макрокомандами и т.д. В ОС UNIX такие средства называются системными вызовами.

Название не изменяет смысл, который состоит в том, что для обращения к функциям ядра ОС используются "специальные команды" процессора, при выполнении которых возникает особого рода внутреннее прерывание процессора, переводящее его в режим ядра (в большинстве современных ОС этот вид прерываний называется trap - ловушка). При обработке таких прерываний (дешифрации) ядро ОС распознает, что на самом деле прерывание является запросом к ядру со стороны пользовательской программы на выполнение определенных действий, выбирает параметры обращения и обрабатывает его, после чего выполняет "возврат из прерывания", возобновляя нормальное выполнение пользовательской программы.

Понятно, что конкретные механизмы возбуждения внутренних прерываний по инициативе пользовательской программы различаются в разных аппаратных архитектурах. Поскольку ОС UNIX стремится обеспечить среду, в которой пользовательские программы могли бы быть полностью мобильны, потребовался дополнительный уровень, скрывающий особенности конкретного механизма возбуждения внутренних прерываний. Этот механизм обеспечивается так называемой библиотекой системных вызовов.

Для пользователя библиотека системных вызовов представляет собой обычную библиотеку заранее реализованных функций системы программирования языка Си. При программировании на языке Си использование любой функции из библиотеки системных вызовов ничем не отличается от использования любой собственной или библиотечной Си-функции. Однако внутри любой функции конкретной библиотеки системных вызовов содержится код, являющийся, вообще говоря, специфичным для данной аппаратной платформы.

Наиболее важные системные вызовы ОС UNIX рассматриваются в оставшихся разделах этой части курса и в следующей части.

Принципы обработки прерываний
Конечно, применяемый в операционных системах механизм обработки внутренних и внешних прерываний в основном зависит от того, какая аппаратная поддержка обработки прерываний обеспечивается конкретной аппаратной платформой. К счастью, к настоящему моменту (и уже довольно давно) основные производители компьютеров де-факто пришли к соглашению о базовых механизмах прерываний.

Если говорить не очень точно и конкретно, суть принятого на сегодня механизма состоит в том, что каждому возможному прерыванию процессора (будь то внутреннее или внешнее прерывание) соответствует некоторый фиксированный адрес физической оперативной памяти. В тот момент, когда процессору разрешается прерваться по причине наличия внутренней или внешней заявки на прерывание, происходит аппаратная передача управления на ячейку физической оперативной памяти с соответствующим адресом - обычно адрес этой ячейки называется "вектором прерывания" (как правило, заявки на внутреннее прерывание, т.е. заявки, поступающие непосредственно от процессора, удовлетворяются немедленно).

Дело операционной системы - разместить в соответствующих ячейках оперативной памяти программный код, обеспечивающий начальную обработку прерывания и инициирующий полную обработку.

В основном, ОС UNIX придерживается общего подхода. В векторе прерывания, соответствующем внешнему прерыванию, т.е. прерыванию от некоторого внешнего устройства, содержатся команды, устанавливающие уровень выполнения процессора (уровень выполнения определяет, на какие внешние прерывания процессор должен реагировать незамедлительно) и осуществляющие переход на программу полной обработки прерывания в соответствующем драйвере устройства. Для внутреннего прерывания (например, прерывания по инициативе программы пользователя при отсутствии в основной памяти нужной страницы виртуальной памяти, при возникновении исключительной ситуации в программе пользователя и т.д.) или прерывания от таймера в векторе прерывания содержится переход на соответствующую программу ядра ОС UNIX.

Далее

Обновлено: 12.03.2015