Типы архитектур ядер операционных систем
презентация к уроку
Монолитное ядро Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур . Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем 3
Монолитное ядро Достоинства Скорость работы (производительность) упрощённая разработка модулей Недостатки Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы 4
Монолитное ядро Монолитность ядер усложняет : их отладку, понимание кода ядра, добавление новых функций и возможностей, удаление «мёртвого», ненужного, унаследованного от предыдущих версий кода . 5
Монолитное ядро Увеличение объема кода монолитных ядер также повышает требования к объёму оперативной памяти, требуемому для функционирования ядра ОС. = > малопригодны к эксплуатации в системах, сильно ограниченных по объёму ОЗУ (в основном на производстве) 6
Монолитное ядро. Примеры BSD MS-DOS KolibriOS 7
Модульное ядро Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем М одульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера (по сравнению с монолитным ядром) 8
Модульное ядро ОС разбивается на ряд уровней (слоев), каждый последующий базируется на предыдущем: Самый нижний уровень – это аппаратное обеспечение Самый верхний уровень – это интерфейс пользователя 9
Модульное ядро предоставляют подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов ) Подгрузка модулей Статическая Динамическая 10
Модульное ядро Все модули ядра работают в адресном пространстве ядра и могут пользоваться всеми функциями, предоставляемыми ядром Поэтому модульные ядра продолжают оставаться монолитными . Практически, динамичная загрузка модулей, это просто более гибкий способ изменения образа ядра во время выполнения 11
Модульное ядро Модульные ядра удобнее для разработки Выявление, локализация, отладка и устранение ошибок при тестировании также облегчаются 12
Модульное ядро. Примеры Linux Unix 13
Микроядро Решающим критерием « микроядерности » является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений Микроядро – небольшая часть ОС, работающая в привилегированном режиме. Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений 14
Микроядро. Достоинства Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы высокая степень модульности ядра операционной системы ( упрощает добавление в него новых компонентов, процесс отладки компонентов ядра ) Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра 16
Микроядро. Недостатки Передача данных между процессами требует накладных расходов. Классические микроядра предоставляют лишь очень небольшой набор низкоуровневых примитивов, или системных вызовов, реализующих базовые сервисы операционной системы 17
Микроядро. Примеры Windows NT Symbian OS AmigaOS 18
Экзо ядро Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами и безопасного выделения и освобождения ресурсов 19
Экзо ядро В традиционных операционных системах ядро предоставляет не только минимальный набор сервисов, обеспечивающих выполнение программ, но и большое количество абстракций для использования разнородных ресурсов компьютера: оперативной памяти, жестких дисков, сетевых подключений. В отличие от них, ОС на основе экзоядра предоставляет лишь набор сервисов для взаимодействия между приложениями, а также необходимый минимум функций, связанных с защитой: выделение и высвобождение ресурсов, контроль прав доступа, и т. д. Экзоядро не занимается предоставлением абстракций для физических ресурсов — эти функции выносятся в библиотеку пользовательского уровня (так называемую libOS ). 20
Экзоядро . Примеры Домашнее задание 22
Наноядро Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера После обработки прерываний от аппаратуры наноядро , в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний 23
Наноядро . Пример Домашнее задание 24
Ядро архитектуры
Ядро архитектуры (программное ядро) — это определенный принцип построения программного обеспечения и реализации повторного использования. До сих пор обобщенных определений дано не было, но как правило, об архитектуре ядра говорят применительно к операционным системам. Со временем, выделение так называемого ядра стали осуществлять в крупных программных комплексах. Другое возможное использование этого термина применяют когда разрабатываются некие независимые библиотеки программ (SDK), так например, говорят о графических или физических движках.
Ядро — как библиотека функций [ править ]
Если вы хотите, чтобы отдельные части вашего алгоритма можно было применять в дальнейшем при построении новых программ, то единственный реальный путь к этому – вычленить претендующие на многократное использование функциональные компоненты вашей программы и оформить их в виде модулей. В результате такой деятельности формируется библиотека функций.
Пополняя библиотеку, уделяют внимание тестированию отдельных модулей, их единообразному описанию (интерфейсу), но, как правило, совершенно не беспокоясь о сохранении работоспособности прежнего состава библиотеки. Причины для беспокойства действительно нет, так как поступающие модули обычно настолько слабо связаны с остальными компонентами, что их появление не может как либо повредить соседям по библиотеки. Это происходит от того, что модули из библиотеки играют только подчиненную роль: разработчик новой программы самостоятельно пишет ведущую часть, которая время от времени обращается к таким модулям для решения частных подзадач.
Надежность ядра [ править ]
Как мы видим оформление в виде ядра, некоторых библиотек функций необходимо в первую очередь, для надежного повторного использования уже отлаженных и оттестированных алгоритмов. Причем надежность тут первично. Именно для обеспечения надежности, отказываются от простого дублирования кода. Наличие дублирования есть самая главная причина проведения рефакторинга.
Мы можем ввести два термина:
- Безболезненность для окружения. Метод изменения содержимого программного фонда называется безболезненным для окружения, если его применение не влечет за собой необходимости редактирования существовавших ранее текстов программ и других первичных материалов.
- Безболезненность для работоспособности. Метод изменения содержимого программного фонда называется безболезненным для работоспособности, если его применение не может нарушить работоспособность отлаженных ранее конкретных конфигураций программ и других первичных материалов. Необходимое условие безболезненности для работоспособности – безболезненность для окружения.
Таким образом, выделенные и оттестированные функции составляют ядро, и его использование является безболезненным как для окружения, так и для работоспособности.
Ядро — это не только библиотека функций [ править ]
Но полноценное ядро — это не только библиотека функций. При разработке архитектуры ядра анализируется не только как должны работать собственно функции библиотеки, но и то как их будет использовать сторонний разработчик. Кроме того, архитектура ядра предполагает разделение кода на так называемые слои. Когда один слой отвечает за математические расчеты, второй за работу с графикой и интерфейсом пользователя, третий с бизнес логикой, четвертый с базой данных. При этом само ядро реализует только минимум функций, но при этом должно обеспечить независимость и концепцию слоев ПО. Таким образом, архитектура ядра налагает ряд ограничений на то, как этим ядром будет пользоваться сторонний разработчик.
Так например, примеры хорошо реализованных ядер можно найти почти исключительно только в реализации известных операционных систем (см. w:en:Kernel (computing)), или на уровне «железа» в реализации работы процессора (см. w:Микроархитектура). А многие т.н. движки, необоснованно называют ядром того или иного программного комплекса. Они, как правило, не выполняют никакой архитектурной роли, за исключением библиотеки функций, и могут рассматриваться лишь как SDK для разработки ПО.
Архитектура ядра с кольцами защиты [ править ]
Здесь мы рассмотрим понятие кольца защиты, и её применение к современной трёхуровневой архитектуре.
Кольца защиты обеспечивают информационную безопасность и отказоустойчивость на уровне аппаратного разделения системного и пользовательского уровней привилегий. Структуру привилегий можно изобразить в виде нескольких концентрических кругов. В этом случае системный режим (нулевое кольцо), обеспечивающий максимальный доступ к ресурсам, является внутренним кругом, тогда как режим пользователя с ограниченным доступом — внешним. Традиционно семейство микропроцессоров x86, начиная с x386 обеспечивает четыре кольца защиты.
На практике процессор программируется в защищенном режиме определенным образом. Для каждой локальной задачи выделяется свое локальное адресное пространство (память). В каждый момент времени в определенном регистре процессора может быть указатель только на одну из задач. Поэтому задача работает только в своем адресном пространстве и не может физически иметь доступ к другим локальным задачам. Для смены задач осуществляется т.н. переключение задач. Каждая задача имеет т.н. уровень привилегий дискриптора (DPL). Этот уровень как раз и указывает в каком кольце находится задача. Основные правила защиты по привилегиям сводятся к следующим:
- Данные из задачи (программы) с некоторым уровнем привилегий могут быть получены только программой того же или более внутреннего уровня
- Программа с некоторым уровнем привилегий может быть вызвана только программой того же или более внешнего уровня, причем вызов программы другого уровня должен осуществляться не непосредственно, а через шлюз вызова
- Все команды, управляющие механизмами защиты могут использоваться только в программах нулевого уровня, что исключает вмешательство в организацию операционной системы со стороны прикладных программ
Таким образом, данные находящиеся на более низком уровне с более высоких физически получить нельзя. С более высокого уровня можно вызвать программы только более низкого уровня, и то через т.н. шлюз. Сам шлюз готовится на более низком уровне, и определяет по сути, что с помощью его можно вызвать. И только обладая таким шлюзом программа более высокого уровня может вызвать программу более низкого уровня. По этой причине очень многие функции ядра операционной системы нельзя вызвать из клиентских программ, и для работы с ними нужно писать драйверы.
Вот такого рода защиту и должно обеспечивать полноценное ядро. Это, например, может означать, что сторонние разработчики не могут напрямую вызвать функцию ядра (этим ядро и отличается от библиотеки функций). Также сторонние разработчики не могут получить никаких данных из ядра, кроме тех которые непосредственно предоставляет само ядро. Но главное, управление программным ходом выполняет исключительно ядро, и при необходимости может блокировать любые клиентские подпрограммы (например, те которые работаю ошибочно или не согласно принятой архитектуре), а клиентским программам для осуществления вызовов специально предоставляет callback-функции или что тоже самое работает через события (аналог вызова через шлюз).
Таким образом, такого рода ядро реализует:
- так называемый каркас архитектуры для управления ходом выполнения клиентских приложений (об этом мы поговорим в следующей статье каркас архитектуры)
- внутри себя реализует библиотеку функций (внутренний SDK — для разработчика ядра)
- часть функций, как правило в определенной «обертке» (API), из своей библиотеки, через механизм защиты (например, путем callback-функций) предоставляет клиентским приложениям
Теперь понимая, что для надежности и более четкой архитектуры нужно изолировать тем или иным образом слои приложений. Только если выше говорилось о системных слоях между операционной системой и клиентскими приложениями, то мы можем пойти далее, и изолировать слои в самом клиентском приложении.
И этих слоев как минимум два, т.н. клиент-серверная архитектура. Так сложилось, что для работы с данными повсеместно используются реляционные базы данных и, как правило, в серьезных приложениях используют или Oracle или MS SQL. Вся работа с данными преимущественно происходит посредством работы на языке SQL. Более того, как правило в хорошо разработанной архитектуре, запрещается какое-либо прямое обращение к базе данных, и вся работа с базой данных ведется посредством вызова только хранимых процедур, а уже в них на SQL так или иначе ведется работа с данными. Поэтому слой базы данных уже традиционно выделен и фактически отделен. Единственно плохо когда некоторые архитектуры, пользуясь возможностями языков программирования, прямо обращаются в серверу базы данных. В тоже время программировать пользовательский интерфейс на языке SQL невозможно. Для этого используют новейшие объектно-ориентированные языки.
Но можно пойти и еще дальше, пример более общей структуры представляет трёхуровневая архитектура. В ней также отделен сервер базы данных, но аналогично технологии MVC происходит разделение бизнес-логики и визуализации. Мы уже говорили о проблемах реализации классического MVC, но сам принцип разделения остается важным, хотя и может быть реализован более качественно. Но если в технологии MVC разделение касалось на уровне одного класса с его подклассами, то в трёхуровневой архитектуре речь идет о выделении всей визуализации в отдельную самостоятельную программу, а выделению отдельной программы (сервера) бизнес-логики. Понятно, что такое физическое разделение можно осуществить только тогда, когда логически в программе строго все было уже разделено или согласно технологии MVC, или другими более современными способами.
Тогда уже на уровне развертывания ПО, можно в зависимости от необходимости комбинировать самостоятельные компоненты ПО так или иначе. Например, можно совместить сервер бизнес-логики и сервер базы данных, а на клиентские машины поставить только программы визуализации — получая таким образом тонкого клиента. Или наоборот, совместить программы визуализации и сервер бизнес-логике на клиентских машинах, отделив только сервер базы данных — получив таким образом толстого клиента.
См. далее:: Каркас архитектуры
Ядро операционной системы
У этого термина существуют и другие значения, см. операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам файловой системы и сетевых протоколов .
Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень приложений к ресурсам системы, необходимым для их работы. Как правило, ядро предоставляет такой доступ исполняемым процессам соответствующих приложений за счёт использования механизмов
- 1 Типы архитектур ядер операционных систем
- 1.1 Монолитное ядро
- 1.2 Модульное ядро
- 1.3 Микроядро
- 1.4 Экзоядро
- 1.5 Наноядро
- 1.6 Гибридное ядро
Типы архитектур ядер операционных систем [ ]
Монолитное ядро [ ]
Основная статья: Linux ; ядро MS-DOS, ядро Linux , требуют Модульное ядро [ ]
В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной Микроядро [ ]
Основная статья: Windows CE; GNU/Hurd и Mac OS X ; Minix ; ChorusOS ; Экзоядро [ ]
Основная статья: кластеров , что положительно скажется на быстродействии.Наноядро [ ]
Основная статья: KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.
Гибридное ядро [ ]
Комбинация разных подходов [ ]
Все рассмотренные подходы к построению операционных систем имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев современные операционные системы используют различные комбинации этих подходов.
Смешанное ядро, в принципе, должно объединять преимущества монолитного ядра и микроядра: казалось бы, микроядро и монолитное ядро — крайности, а смешанное — золотая середина. В них возможно добавлять драйверы устройств двумя способами: и внутрь ядра, и в пользовательское пространство.
Ссылки [ ]
Ядро операционной системы
Ядро (kernel) это центральная и главная часть операционной системы которая обеспечивает архитектуру связи с приложениями, организует и регулирует доступ к ресурсам компьютера. Дополнительно, но не как правило предоставляет доступ к сетевым протоколам и к файловой системе. На картинке ниже я покажу как схематично работает ядро операционной системы и другие структуры внутри ОС
Посмотрите внимательно на эту схему, на ней видно что ядро операционной системы, взаимодействует с приложениями пользователя, будь то любое программное обеспечение (перечислять все возможные программы мы не будем), с утилитами и с системными обрабатывающими программами. Обратите внимание что из всех изображенных элементов только библиотеки процедур не взаимодействуют напрямую, а являются «переправой» для взаимодействия пользователя с ядром.
архитектура и типы ядер операционной системы
Классическая архитектура ядра очень сильно зависит от того какой тип ядра представлен в операционной системе. Типов ядер операционной системы бывает очень много и все различаются лишь по размеру и доступным функциям кроме базовых.
Монолитное ядро
монолитное ядро операционной системы представляет богатый выбор абстракций. все части или лучше сказать элементы находятся в одном адресном пространстве и представляют собой единый «Монолит». Все элементы которые были представлены выше на картинке спокойно взаимодействуют между собой и сообщаются. Это самое старое воплощение ядра в ОС.
Недостаток:
Обладает достаточно значимым минусом что при отказе работы одного элемента перестает работать всё ядро операционной системы и следовательно ОС.
Преимущества:
Из положительного момента — быстрая разработка и внедрение новых модулей а также скорость работы такого ядра. всё таки унификация всех элементов берет своё
Примеры ОС построенных на таких ядрах :LINUX, Unix, ms-dos
Модульное ядро
Модульное уже более современная реализация типа работы ядра операционной системы . Модульное ядро в отличие от монолитного, бывает двух видов статичное и динамическое. Статичное работает как и монолитное, все изменения только после перезапуска, а динамическая заключается в следующем — при разработке
ядра операционной системы не нужно перезагружать всю систему, а только ту часть которая подверглась каким либо изменениям. Для пользователя это выражается в том что после установки, например драйвера для новой видеокарты не нужно перезагружать систему, после установки перезагрузится только тот модуль что работает с этим новым драйвером, как говориться на лету.Микроядро
Микроядро работает по принципу всё что сложнее элементарных функций — выноситься за пределы его работы. Наибольшая часть работы выполняется с помощью сервисов или по другому пользовательских процессов.
драйверы и модули, всё находиться в серверных процессах. Чтобы было понятно взгляните на картинку
Самые главные преимущества то что при любой сбой системы или например обновление ядра, не может нанести ущерба и это можно делать раздельно. Также намного проще позволяет добавлять новые элементы не прерывая работы системы.
Недостатки: увеличенное потребление ресурсов.
Из самых популярных операционных систем которое используют это
ядро операционной системы это MAC OS X.Экзоядро
Экзоядро представляет всего лишь самые базовые функция взаимодействия между процессами, выгрузка и загрузка памяти и других ресурсов. То есть устроенно это ядро таким образом — ядро операционной системы не взаимодействует с программным обеспечением напрямую, а только через специальные библиотеки которые предоставляют API. Является оптимальным решениям для некоторого вида приложений которые должны очень быстро работать.
Ядро операционной системы WINDOWS
Вы спросите а к какому типу архитектуры тогда относиться операционная система windows?
относиться она к гибридному типу включая в себя как и микроядро так и монолитное
ядро операционной системы