Ядро і допоміжні модулі ОС

Найбільш загальним підходом до структуризації операційної системи є розподіл усіх її модулів на дві групи:

· ядро — модулі, що виконують основні функції ОС;

· модулі, що виконують допоміжні функції ОС.

Модулі ядра виконують такі базові функції ОС, як управління процесами, пам'яттю, облаштуваннями введення-виводу і т. п. Ядро складає серцевину операційної системи, без нього ОС є повністю непрацездатною і не зможе виконати жодну зі своїх функцій.

До складу ядра входять функції, вирішальні внутрісистемні завдання організації обчислювального процесу, такі як перемикання контекстів, завантаження/вивантаження станиць, обробка переривань. Ці функції недоступні для додатків. Інший клас функцій ядра служить для підтримки додатків, створюючи для них так зване прикладне програмне середовище. Додатки можуть звертатися до ядра із запитами — системними викликами — для виконання тих або інших дій, наприклад для відкриття і читання файлу, виведення графічної інформації на дисплей, отримання системного часу і т. д. Функції ядра, які можуть викликатися додатками, утворюють інтерфейс прикладного програмування — API.

Функції, що виконуються модулями ядра, є найчастіше використовуваними функціями операційної системи, тому швидкість їх виконання визначає продуктивність усієї системи в цілому. Для забезпечення високої швидкості роботи ОС усі модулі ядра або велика їх частина постійно знаходяться в оперативній пам'яті, тобто є резидентними.

Ядро є рушійною силою усіх обчислювальних процесів в комп'ютерній системі, і крах ядра рівносильний краху усієї системи. Тому розробники операційної системи приділяють особливу увагу надійності кодів ядра, в результаті процес їх відладки може розтягуватися на багато місяців.

Зазвичай ядро оформляється у вигляді програмного модуля деякого спеціального формату, що відрізняється від формату призначених для користувача застосувань.

ПРИМІТКА

Термін «ядро» в різних ОС трактуючи по-різному. Однією з визначальних властивостей ядра є робота в привілейованому режимі. Це питання буде розглянуто в наступному розділі.

Інші модулі ОС виконують дуже корисні, але менш обов'язкові функції. Наприклад, до таких допоміжних модулів можуть бути віднесені програми архівації даних на магнітній стрічці, дефрагментації диска, текстового редактора. Допоміжні модулі ОС оформляються або у вигляді додатків, або у вигляді бібліотек процедур.

Оскільки деякі компоненти ОС оформлені як звичайні застосування, тобто у вигляді виконуваних модулів стандартного для цієї ОС формату, то часто буває дуже складно провести чітку грань між операційною системою і додатками (мал. 3.1).

Рішення про те, чи являється яка-небудь програма частиною ОС або! ні, приймає виробник ОС. Серед багатьох чинників, здатних вплинути на це рішення, важливими є перспективи того, чи буде програма мати масовий попит у потенційних користувачів цієї ОС.

Деяка програма може існувати певний час як призначене для користувача застосування, а потім стати частиною ОС, або навпаки. Яскравим прикладом такої зміни статусу програми є Web -браузер компанії Microsoft, який спочатку поставлявся як окреме застосування, потім став частиною операційних систем Windows NT 4.0 і Windows 95/98, а сьогодні існує велика вірогідність того, що за рішенням суду цей браузер знову перетвориться на самостійне застосування.

Допоміжні модулі ОС зазвичай підрозділяються на наступні групи:

· утиліти — програми, вирішальні окремі завдання управління і супроводу комп'ютерної системи, такі, наприклад, як програми стискування дисків, архівації даних на магнітну стрічку;

· системні оброблювальні програми — текстові або графічні редактори, компілятори, компонувальники, відладчики;

· програми надання користувачеві додаткових послуг — спеціальний варіант призначеного для користувача інтерфейсу, калькулятор і навіть ігри;

· бібліотеки процедур різного призначення, що спрощують розробку додатків, наприклад бібліотека математичних функцій, функцій введення-виводу і т. д.

Мал. 3.1. Нечіткість межі між ОС і додатками

Як і звичайні застосування, для виконання своїх завдань утиліти, оброблювальні програми і бібліотеки ОС, звертаються до функцій ядра за допомогою системних викликів (мал. 3.2).

Розподіл операційної системи на ядро і модулі-додатки забезпечує легку розширюваність ОС. Щоб додати нову високорівневу функцію, досить розробити нове застосування, і при цьому не вимагається модифікувати відповідальні функції, що утворюють ядро системи. Проте внесення змін до функцій ядра може виявитися набагато складніше, і складність ця залежить від структурної організації самого ядра. В деяких випадках кожне виправлення ядра може зажадати його повної перекомпіляції.

Мал. 3.2. Взаємодія між ядром і допоміжними модулями ОС

Модулі ОС, оформлені у вигляді утиліт, системних оброблювальних програм і бібліотек, зазвичай завантажуються в оперативну пам'ять тільки на час виконання своїх функцій, тобто є транзитними. Постійно в оперативній пам'яті розташовуються тільки найнеобхідніші коди ОС, що становлять її ядро. Така організація ОС економить оперативну пам'ять комп'ютера.

Важливою властивістю архітектури ОС, заснованої на ядрі, є можливість захисту кодів і даних операційної системи за рахунок виконання функцій ядра в привілейованому режимі.