Архитектурные особенности

В общем случае операционная система состоит из нескольких «слоев», каждый из которых выполняет свой набор функций (см. рис. 1).

Рис. 1. Многослойная структура программного обеспечения

Практически все современные процессоры поддерживают как минимум два режима выполнения программного кода:

• «привилегированный режим» (или «режим супервизора», или «режим ядра», или «kernel mode», или «защищенный режим»);

• «непривилегированный режим» (или «режим приложений»).

Основное отличие между ними заключается в том, что программы, работающие в режиме супервизора, имеют непосредственный доступ ко всем ресурсам ЭВМ - ко внешним устройствам, к оперативной памяти по физическим адресам и пр.; программы же режима приложений работают в виртуальной среде, сформированной программами режима супервизора.

Различают два больших класса архитектур операционных систем:

«монолитная» и «микроядерная» (см. рис. 2).

а) Монолитная архитектура б) Микроядерная архитектура

Рис. 2. Варианты архитектур операционных систем

Все компоненты «монолитной» ОС работают в режиме супервизора в едином адресном пространстве. Главное достоинство таких ОС – высокая производительность. Главный недостаток – невозможность внесения каких-либо изменений в структуру операционной системы в процессе ее эксплуатации, т.е. плохая масштабируемость. Другой недостаток – невысокая реактивность системы, т.к. если внешнее событие, требующее немедленной реакции, происходит во время выполнения задач уровня ядра, то обработка этого события задерживается до возвращения на уровень приложений.

Особенность «микроядерных» ОС – наличие компактного и быстродействующего «микроядра», работающего в режиме супервизора, а все остальные компоненты операционной системы, включая менеджеры ресурсов, при этом работают в непривилегированном режиме. «Микроядерный» подход обеспечивает хорошую гибкость и масштабируемость операционной системы, малое время реакции на внешние события. С другой стороны, «микроядерные» операционные системы отличаются относительно невысокой производительностью, т.к. при работе происходят частые переключения из режима в режим.

Встраиваемые ОСРВ преимущественно строятся в соответствии с «микроядерной» архитектурой. В фирменной документации на ОСРВ обычно указывают числовые значения временных характеристик, таких как:

• предельное время переключения с задачи на задачу;

• предельная задержка между возникновением прерывания и началом его обработки;

• предельное время выполнения запроса прикладной программы к ядру ОС;

• предельное время переключения из режима «супервизора» в «непривилегированный» режим и обратно, и т.п.