Принципы построения интерфейсов операционных систем

Напомним, что ОС всегда выступает как интерфейс между аппаратурой компью­тера и пользователем с его задачами. Под интерфейсами операционных систем здесь и далее следует понимать специальные интерфейсы системного и приклад­ного программирования, предназначенные для выполнения следующих задач:

Управление процессами, которое включает в себя следующий набор основ­ных функций:

• запуск, приостанов и снятие задачи с выполнения;
• задание или изменение приоритета задачи;
• взаимодействие задач между собой (механизмы сигналов, семафорные примитивы, очереди, конвейеры, почтовые ящики);
• RPC (remote procedure call) — удаленный вызов подпрограмм.

Управление памятью:

• запрос на выделение блока памяти;
• освобождение памяти;
• изменение параметров блока памяти (например, память может быть забло­кирована процессом либо предоставлена в общий доступ);
• отображение файлов на память (имеется не во всех системах).

Управление вводом/выводом:

• запрос на управление виртуальными устройствами (напомним, что управ­ление вводом/выводом является привилегированной функцией самой ОС, и никакая из пользовательских задач не должна иметь возможности непо­средственно управлять устройствами);
• файловые операции (запросы к системе управления файлами на создание, изменение и удаление данных, организованных в файлы).

Здесь мы перечислили основные наборы функций, которые выполняются ОС по соответствующим запросам от задач. Что касается пользовательского интерфейса операционной системы, то он реализуется с помощью специальных программ­ных модулей, которые принимают его команды на соответствующем языке (воз­можно, с использованием графического интерфейса) и транслируют их в обычные вызовы в соответствии с основным интерфейсом системы. Обычно эти модули называют интерпретатором команд. Так, например, функции такого интерпрета­тора в MS-DOS выполняет модуль COMMAND.COM. Получив от пользователя команду, такой модуль после лексического и синтаксического анализа либо сам выполняет действие, либо, что случается чаще, обращается к другим модулям ОС, используя механизм API. Надо заметить, что в последние годы большую по­пулярность получили графические интерфейсы (GUI), в которых задействованы соответствующие манипуляторы типа «мышь» или «трекбол». Указание курсо­ром на объекты и щелчок (клик) или двойной щелчок по соответствующим кла­вишам приводит к каким-либо действиям — запуску программы, ассоциирован­ной с указываемым объектом, выбору и/или активизации пунктов меню и т. д. Можно сказать, что такая интерфейсная подсистема транслирует «команды» поль­зователя в обращения к ОС.

Поясним также, что управление GUI — частный случай задачи управления вво­дом/выводом, не являющийся частью ядра операционной системы, хотя в ряде случаев разработчики ОС относят функции GUI к основному системному API.

Следует отметить, что имеются два основных подхода к управлению задачами. Так, в одних системах порождаемая задача наследует все ресурсы задачи-роди­теля, тогда как в других системах существуют равноправные отношения, и при порождении нового процесса ресурсы для него запрашиваются у операционной системы.

Обращения к операционной системе, в соответствии с имеющимся API, может осуществляться как посредством вызова подпрограммы с передачей ей необ­ходимых параметров, так и через механизм программных прерываний. Выбор метода реализации вызовов функций API должен определяться архитектурой платформы.

Так, например, в операционной системе MS-DOS, которая разрабатывалась для однозадачного режима (поскольку процессор 18086 не поддерживал мультипро­граммирование), использовался механизм программных прерываний. При этом основной набор функций API был доступен через точку входа обработчика int 21h.

В более сложных системах имеется не одна точка входа, а множество — по ко­личеству функций API. Так, в большинстве операционных систем используется метод вызова подпрограмм. В этом случае вызов сначала передается в модуль API (например, это библиотека времени выполнения), который и перенаправля­ет вызов соответствующим обработчикам программных прерываний, входящим в состав операционной системы. Использование механизма прерываний вызва­но, главным образом, тем, что при этом процессор переводится в режим суперви­зора.