Рис 1.1

В центре находятся аппаратные ресурсы компьютера с которыми непосредственно взаимодействует ядро операционной системы изолируя прикладные программы пользователя от особенностей аппаратной архитектуры. Ядро имеет определенный минимальный набор услуг представляемых прикладным программам. В первую очередь это операции ввода-вывода (открытие, закрытие, чтение, запись и управление файлами), создание и управление процессами, организация синхронизации и обмена данными между процессами, управление памятью (реальной и виртуальной).

Второй важнейшей функцией выполняемой ядром является защита операционной системы от разрушения со стороны пользовательских программ и реализация механизмов защиты данных в многопользовательской среде. Все пользовательские приложения пользуются услугами ядра посредством системных вызовов.

На втором уровне находятся приложения, как пользовательские, обеспечивающие интерфейс с пользователем так и системные, управляющие работой системы. Несмотря на различные выполняемые задачи, схемы их взаимодействия с ядром одинаковы.

Задачи выполняемые ядром операционной системы

Остановимся более подробно на структуре ядра операционной системы. Функционально его можно представить состоящим из трех основных подсистем: подсистемы управления процессами и памятью, подсистемы ввода-вывода и файловой подсистемы. Все современные микропроцессоры поддерживают виртуальную память, защищенный и многозадачный режим работы. Последний подразумевает выделение кванта процессорного времени определенной задачи с последующим переключением на другую задачу

Каждая задача имеет идентификатор уровня защиты, некоторые команды из системы команд процессора могут выполняться на любом уровне защиты, но есть привелигированные команды выполнение которых возможно лишь задачей имеющей нулевой уровень привилегии. Ядро операционной системы работает на нулевом уровне защиты, только оно имеет непосредственный доступ к физической памяти, системным регистрам процессора и портам ввода вывода. Пользовательские программы общаются с ядром посредством системных вызовов, представляющих собой команду приводящую к переключению процесса в контекст ядра, передачей параметров ядру. Затем ядро проверяет корректность параметров, права пользовательского процесса на возможность выполнения данного системного вызова и лишь после этого переходит к непосредственному выполнению всех низкоуровневых действий необходимых для исполнения пользовательского запроса. Благодаря этому достигается защита критически важных данных ядра от случайного или преднамеренного разрушения со стороны пользователя.

Второй из важнейших функций ядра является обработка исключительных ситуаций возникающих в результате работы операционной системы и представляющим собой програмные прерывания. К последним относятся ошибки защиты (на пример попытка прикладной программы получить доступ к портам ввода-вывода или чужой области памяти), ошибки в работе оборудования, а также системные события возникающие при нормальной работе операционной системы. Некоторые из исключительных ситуаций приводят к аварийному завершению системы (ошибки оборудования или исключительная ситуация возникшая во время обработки исключительной ситуации), некоторые к аварийному завершению пользовательской программы при этом возможен сброс на диск в файл образа процесса вызвавшего исключительную ситуацию c целью дальнейшего анализа отладчиком, а некоторые просто жизненно необходимы для нормального функционирования операционной системы (одна из таких исключительных ситуаций будет рассмотрена ниже).

Подсистема управления процессами.

Запущенная на выполнение программа порождает в системе один или больше процессов. Подсистема управления процессами отвечает за создание и уничтожение процессов, распределения ресурсом между процессами, синхронизацю и межпроцессное взаимодействие. Так как в данный момент времени на одном процессоре может выполняться лишь одна задача ядро операционной системы в зависимости от приоритета задачи выделяет ей определенный квант процессорного времени по истечению которого происходит переключение на следующую задачу. При этом исключается возможность захвата всех ресурсов процессора одной задачей и создается эффект параллельного выполнения нескольких задач.

Подсистема управления памятью.

Подсистема управления памятью управляет выделением, размещением и освобождением памяти для прикладных задач. Прикладные программы никогда не используют физическую память напрямую, т.к. все современные операционные системы реализуют так называемую виртуальную память объем которой может превышать объем физической памяти. При этом задействуется механизмы страничной адресации памяти в которых все виртуальное адресное пространство разделяется на небольшие блоки – страницы. Размер страницы варьируется в зависимости от архитектуры, для архитектуры HP PA-RISC это 2К, для Intel это 4K. Каждая страница имеет специальные атрибуты которые определяют права доступа к ней, факт присутствия в физической памяти, частоту обращений и.т.п. Преобразование из виртуального адреса в физический осуществляется аппаратно. Данная схема адресации дает ряд неоспоримых преимуществ которые используются всеми современными операционными системами. А именно: возможность экономии физической памяти путем совместного использования одних и тех же страниц виртуальной памяти разными процессами, реализация разделяемой памяти, а также возможность использования вторичных устройств в качестве устройств памяти что позволяет задачам задействовать виртуальной памяти больше чем есть реально физической памяти в системе. Реализуется это следующим образом: в случае нехватки физической памяти, ядро сбрасывает на внешний носитель (как правило диск) страницы к которым наиболее долго не было обращений, а так же при обращении к странице которой реально нет в физической памяти процессор генерирует исключительную ситуацию обработчик которой загружает страницу обратно с внешнего носителя в физическую память. Этот процесс носит название пейджинг или свопинг.

Файловая подсистема.

Файловая подсистема ядра предоставляет унифицированный интерфейс для доступа к данным находящимися на дисках и других внешних устройствах. Она обеспечивает контроль прав доступа к файлам со стороны прользователя т.к. каждый файл имеет атрибуты доступа определяющие права доступа к нему со стороны определенного прользователя или групп пользователей.

Подсистема ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода обслуживает запросы файловой подсистемы и подсистемы управления процессами для доступа к периферийным устройствам (сетевые адаптеры, диски, терминалы …). Также она обеспечивает буферизацию и кеширование данных и взаимодействует с драйверами устройств – специальными модулями ядра непосредственно работающими с внешними устройствами.