Лекция: Способы реализации прикладных программных сред. Архитектура, назначение и функции операционных систем Задачи и упражнения

В то время как многие архитектурные особенности ОС непосредственно касаются только системных программистов, концепция множественных прикладных (операционных) средств непосредственно связана с нуждами конечных пользователей – возможностью операционной системы выполнять приложения, написанные для других операционных систем. Такое свойство операционной системы называется совместимостью.

Совместимость приложений может быть на двоичном уровне и на уровне исходных текстов . Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняемых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совместимость достигается в том случае, если можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличие соответствующего компилятора в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается выполнить данное приложение , а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция исходных текстов приложения в новый исполняемый модуль .

Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же продукт в различных операционных системах и на различных машинах.

Вид возможной совместимости зависит от многих факторов. Самый главный из них – архитектура процессора. Если процессор применяет тот же набор команд (возможно, с добавлениями, как в случае IBM PC : стандартный набор + мультимедиа + графика + потоковые) и тот же диапазон адресов, то двоичная совместимость может быть достигнута достаточно просто. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:

• API, который использует приложение, должен поддерживаться данной ОС;
• внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответствовать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Если процессоры имеют разную архитектуру, то, кроме перечисленных условий, необходимо организовать эмуляцию двоичного кода. Например, широко используется эмуляция команд процессора Intel на процессоре Motorola 680x0 компьютера Macintosh. Программный эмулятор в этом случае последовательно выбирает двоичную инструкцию процессора Intel и выполняет эквивалентную подпрограмму, написанную в инструкциях процессора Motorola. Так как у процессора Motorola нет в точности таких же регистров, флагов, внутреннего АЛУ и др., как в процессорах Intel, он должен также имитировать (эмулировать) все эти элементы с использованием своих регистров или памяти.

Это простая, но очень медленная работа, поскольку одна команда Intel выполняется значительно быстрее, чем эмулирующая ее последовательность команд процессора Motorola. Выходом в таких случаях является применение так называемых прикладных программных сред или операционных сред. Одной из составляющих такой среды является набор функций интерфейса прикладного программирования API , который ОС предоставляет своим приложениям. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды имитируют обращение к библиотечным функциям.

Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних программ работает под управлением GUI (графических интерфейсов пользователя) типа Windows , MAC или UNIX Motif , при этом приложения тратят 60-80% времени на выполнение функций GUI и других библиотечных вызовов ОС. Именно это свойство приложений позволяет прикладным средам компенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программ. Тщательно спроектированная программная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие библиотеки GUI , но написанные на "родном" коде. Таким образом, достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Иначе такой подход называют трансляцией – для того, чтобы отличить его от более медленного процесса эмулирования по одной команде за раз.

Например, для Windows -программы, работающей на Macintosh, при интерпретации команд процессора Intel производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции GUI , открытие окна и др., модуль ОС, реализующий прикладную среду Windows , может перехватить этот вызов и перенаправить его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпрограмму открытия окна. В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а, возможно, и превзойти) скорость работы на своём родном процессоре.

Чтобы программа , написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечивать совместимость API . Концепции, положенные в основу разных ОС, могут входить в противоречия друг с другом. Например, в одной ОС приложению может быть разрешено управлять устройствами ввода-вывода, в другой – эти действия являются прерогативой ОС.

Каждая ОС имеет свои собственные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключительных ситуаций, особую структуру процессора и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс . Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуществование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами компьютера.

Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечивающими разную степень переносимости приложений. Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных прикладных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС.

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на микроядерном подходе. При этом очень важно отметить базовое, общее для всех прикладных сред отличие механизмов операционной системы от специфических для каждой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи. В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются микроядром и серверами пользовательского режима. Важно, что прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовых механизмов.

Приложения, используя API , обращаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос , выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходится, в свою очередь , обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микроядром и другими серверами ОС.

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микро ядерной архитектуры, в частности:

• очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микро ядерных ОС;
• при отказе одной из прикладных сред остальные сохраняют работоспособность, что способствует надежности и стабильности системы в целом;
• низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости работы прикладных средств, а значит, и на скорости работы приложений.

В итоге следует отметить, что создание в рамках одной ОС нескольких прикладных средств для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь , который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между различными операционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС.

1.9. Виртуальные машины как современный подход к реализации множественных прикладных сред

Понятие " монитор виртуальных машин" (МВМ) возникло в конце 60-х годов как программный уровень абстракции , разделявший аппаратную платформу на несколько виртуальных машин. Каждая из этих виртуальных машин (ВМ) была настолько похожа на базовую физическую машину, что существующее программное обеспечение могло выполняться на ней в неизменном виде. В то время вычислительные задачи общего характера решались на дорогих мэйнфреймах (типа IBM /360), и пользователи высоко оценили способность МВМ распределять дефицитные ресурсы среди нескольких приложений.

В 80-90-е годы существенно снизилась стоимость компьютерного оборудования и появились эффективные многозадачные ОС , что уменьшило ценность МВМ в глазах пользователей. Мэйнфреймы уступили место мини-компьютерам, а затем ПК, и нужда в МВМ отпала. В результате из компьютерной архитектуры попросту исчезли аппаратные средства для их эффективной реализации. К концу 80-х в науке и на производстве МВМ воспринимались не иначе как исторический курьез .

Сегодня МВМ – снова в центре внимания. Корпорации Intel, AMD , Sun Microsystems и IBM создают стратегии виртуализации, в научных лабораториях и университетах для решения проблем мобильности, обеспечения безопасности и управляемости развиваются подходы, основанные на виртуальных машинах. Что же произошло между отставкой МВМ и их возрождением?

В 90-е годы исследователи из Стэндфордского университета начали изучать возможность применения ВМ для преодоления ограничений оборудования и операционных систем. Проблемы возникли у компьютеров с массовой параллельной обработкой (Massively Parallel Processing , MPP ), которые плохо поддавались программированию и не могли выполнять имеющиеся ОС. Исследователи обнаружили, что с помощью виртуальных машин можно сделать эту неудобную архитектуру достаточно похожей на существующие платформы, чтобы использовать преимущества готовых ОС. Из этого проекта вышли люди и идеи, ставшие золотым фондом компании VMware (www.vmware. com ), первого поставщика МВМ для компьютеров массового применения.

Как ни странно, развитие современных ОС и снижение стоимости оборудования привели к появлению проблем, которые исследователи надеялись решить с помощью МВМ. Дешевизна оборудования способствовала быстрому распространению компьютеров, но они часто бывали недогруженными, требовали дополнительных площадей и усилий по обслуживанию. А следствиями роста функциональных возможностей ОС стали их неустойчивость и уязвимость .

Чтобы уменьшить влияние системных аварий и защититься от взломов, системные администраторы вновь обратились к однозадачной вычислительной модели (с одним приложением на одной машине). Это привело к дополнительным расходам, вызванным повышенными требованиями к оборудованию. Перенос приложений с разных физических машин на ВМ и консолидация этих ВМ на немногих физических платформах позволили повысить эффективность использования оборудования, снизить затраты на управление и производственные площади. Таким образом, способность МВМ к мультиплексированию аппаратных средств – на этот раз во имя консолидации серверов и организации коммунальных вычислений – снова возродила их к жизни.

В настоящее время МВМ стал не столько средством организации многозадачности, каким он был когда-то задуман, сколько решением проблем обеспечения безопасности, мобильности и надежности. Во многих отношениях МВМ дает создателям операционных систем возможность развития функциональности, невозможной в нынешних сложных ОС. Такие функции, как миграция и защита, намного удобнее реализовать на уровне МВМ, поддерживающих обратную совместимость при развертывании инновационных решений в области операционных систем при сохранении предыдущих достижений.

Виртуализация – развивающаяся технология. В общих словах, виртуализация позволяет отделить ПО от нижележащей аппаратной инфраструктуры. Фактически она разрывает связь между определенным набором программ и конкретным компьютером. Монитор виртуальных машин отделяет программное обеспечение от оборудования и формирует промежуточный уровень между ПО , выполняемым виртуальными машинами, и аппаратными средствами. Этот уровень позволяет МВМ полностью контролировать использование аппаратных ресурсов гостевыми операционными системами (GuestOS) , которые выполняются на ВМ.

МВМ создает унифицированное представление базовых аппаратных средств, благодаря чему физические машины различных поставщиков с разными подсистемами ввода-вывода выглядят одинаково и ВМ выполняются на любом доступном оборудовании. Не заботясь об отдельных машинах с их тесными взаимосвязями между аппаратными средствами и программным обеспечением, администраторы могут рассматривать оборудование просто как пул ресурсов для оказания любых услуг по требованию.

Благодаря полной инкапсуляции состояния ПО на ВМ монитор МВМ может отобразить ВМ на любые доступные аппаратные ресурсы и даже перенести с одной физической машины на другую. Задача балансировки нагрузки в группе машин становится тривиальной, и появляются надежные способы борьбы с отказами оборудования и наращивания системы. Если нужно отключить отказавший компьютер или ввести в строй новый, МВМ способен соответствующим образом перераспределить виртуальные машины. Виртуальную машину легко тиражировать, что позволяет администраторам по мере необходимости оперативно предоставлять новые услуги.

Инкапсуляция также означает, что администратор может в любой момент приостановить или возобновить работу ВМ, а также сохранить текущее состояние виртуальной машины либо вернуть ее к предыдущему состоянию. Располагая возможностью универсальной отмены, удается легко справиться с авариями и ошибками конфигурации. Инкапсуляция является основой обобщенной модели мобильности, поскольку приостановленную ВМ можно копировать по сети, сохранять и транспортировать на сменных носителях.

МВМ играет роль посредника во всех взаимодействиях между ВМ и базовым оборудованием, поддерживая выполнение множества виртуальных машин на единой аппаратной платформе и обеспечивая их надежную изоляцию. МВМ позволяет собрать группу ВМ с низкими потребностями в ресурсах на отдельном компьютере, снизив затраты на аппаратные средства и потребность в производственных площадях.

Полная изоляция также важна для надежности и обеспечения безопасности. Приложения, которые раньше выполнялись на одной машине, теперь можно распределить по разным ВМ. Если одно из них в результате ошибки вызовет аварию ОС, другие приложения будут от нее изолированы и продолжат работу. Если же одному из приложений угрожает внешнее нападение, атака будет локализована в пределах "скомпрометированной" ВМ. Таким образом, МВМ – это инструмент реструктуризации системы для повышения ее устойчивости и безопасности, не требующий дополнительных площадей и усилий по администрированию, которые необходимы при выполнении приложений на отдельных физических машинах.

МВМ должен связать аппаратный интерфейс с ВМ, сохранив полный контроль над базовой машиной и процедурами взаимодействия с ее аппаратными средствами. Для достижения этой цели существуют разные методы, основанные на определенных технических компромиссах. При поиске таких компромиссов принимаются во внимание основные требования к МВМ: совместимость, производительность и простота. Совместимость важна потому, что главное достоинство МВМ – способность выполнять унаследованные приложения. Производительность определяет величину накладных расходов на виртуализацию – программы на ВМ должны выполняться с той же скоростью, что и на реальной машине. Простота необходима, поскольку отказ МВМ приведет к отказу всех ВМ, выполняющихся на компьютере. В частности, для надежной изоляции требуется, чтобы МВМ был свободен от ошибок, которые злоумышленники могут использовать для разрушения системы.

Вместо того чтобы заниматься сложной переработкой кода гостевой операционной системы, можно внести некоторые изменения в основную операционную систему, изменив некоторые наиболее "мешающие" части ядра. Подобный подход называется паравиртуализацией . Ясно, что в этом случае адаптировать ядро ОС может только автор , и, например, Microsoft не проявляет желания адаптировать популярное ядро Windows 2000 к реалиям конкретных виртуальных машин.

При паравиртуализации разработчик МВМ переопределяет интерфейс виртуальной машины, заменяя непригодное для виртуализации подмножество исходной системы команд более удобными и эффективными эквивалентами. Заметим, что хотя ОС нужно портировать для выполнения на таких ВМ, большинство обычных приложений могут выполняться в неизменном виде.

Самый большой недостаток паравиртуализации – несовместимость. Любая операционная система , предназначенная для выполнения под управлением паравиртуализованного монитора МВМ, должна быть портирована в эту архитектуру, для чего нужно договариваться о сотрудничестве с поставщиками ОС. Кроме того, нельзя использовать унаследованные операционные системы, а существующие машины не удается легко заменить виртуальными.

Чтобы добиться высокой производительности и совместимости при виртуализации архитектуры x86 , компания VMware разработала новый метод виртуализации, который объединяет традиционное прямое выполнение с быстрой трансляцией двоичного кода "на лету". В большинстве современных ОС режимы работы процессора при выполнении обычных прикладных программ легко поддаются виртуализации, а следовательно, их можно виртуализировать посредством прямого выполнения. Непригодные для виртуализации привилегированные режимы может выполнять транслятор двоичного кода, исправляя "неудобные" команды x86 . В результате получается высокопроизводительная виртуальная машина , которая полностью соответствует оборудованию и поддерживает полную совместимость ПО .

Преобразованный код очень похож на результаты паравиртуализации. Обычные команды выполняются в неизменном виде, а команды, нуждающиеся в специальной обработке (такие как POPF и команды чтения регистров сегмента кода), транслятор заменяет последовательностями команд, которые подобны требующимся для выполнения на паравиртуализованной виртуальной машине. Однако есть важное различие: вместо того, чтобы изменять исходный код операционной системы или приложений, транслятор двоичного кода изменяет код при его выполнении в первый раз.

Хотя трансляция двоичного кода требует некоторых дополнительных расходов, при нормальных рабочих нагрузках они незначительны. Транслятор обрабатывает лишь часть кода, и скорость выполнения программ становится сопоставимой со скоростью прямого выполнения – как только заполнится кэш-

Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой ОС, является достаточно сложной задачей, тесно связанной со структурой ОС. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечивающими различную степень переносимости приложений .

Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В ОС, построенных с использованием микроядерной концепции, таких как, например, Windows NT или Workplace OS, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в ОС. Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных прикладных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС .

Рис. 3.13. Прикладные программные среды, транслирующие системные вызовы

К сожалению, поведение почти всех функций, составляющих API одной ОС, как правило, существенно отличается от поведения соответствующих функций другой.

В другом варианте реализации множественных прикладных сред ОС имеет несколько равноправных прикладных программных интерфейсов . В приведенном на рис. 3.14 примере ОС поддерживает приложения, написанные для OS1, OS2 и OS3. Для этого непосредственно в пространстве ядра системы размещены прикладные программные интерфейсы всех этих ОС: API OS1, API OS2 и API OS3. В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае несовместимые прикладные среды.

В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т. д. Функции каждого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже если они имеют аналогичное назначение. Например, как уже было сказано, функция создания процесса работает по-разному для приложения UNIX и приложения OS/2. Аналогично при завершении процесса ядру также необходимо определять, к какой ОС относится данный процесс. Если этот процесс был создан по запросу UNIX-приложения, то в ходе его завершения ядро должно послать родительскому процессу сигнал, как это делается в ОС UNIX. А по завершении процесса OS/2, ядро должно отметить, что идентификатор процесса не может быть повторно использован другим процессом OS/2. Для того чтобы ядро могло выбрать нужный вариант реализации системного вызова, каждый процесс должен передавать в ядро набор идентифицирующих характеристик.

Рис. 3.14.Реализация совместимости на основе нескольких равноправных API

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на микроядерном подходе . При этом очень важно отделить базовые, общие для всех прикладных сред, механизмы ОС от специфических для каждой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи.

В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются микроядром и серверами пользовательского режима . Важно, что каждая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовых механизмов (рис. 3.15). Приложения, используя API, обращаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос, выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходится, в свою очередь, обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микроядром и другими серверами ОС.

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микроядерной архитектуры, в частности:

§ очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микроядерных ОС;

§ надежность и стабильность выражаются в том, что при отказе одной из прикладных сред все остальные сохраняют работоспособность;

§ низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости работы прикладных сред, а значит, и на скорости выполнения приложений.

Рис. 3.15. Микроядерный подход к реализации множественных прикладных сред

Создание в рамках одной ОС нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между операционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совместимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора ОС и более легкий доступ к качественному программному обеспечению.

Выводы:

§ Простейшая структуризация ОС состоит в разделении всех компонентов ОС на модули, выполняющие основные функции ОС (ядро), и модули, выполняющие вспомогательные функции ОС. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений (утилиты и системные обрабатывающие программы), либо в виде библиотек процедур. Вспомогательные модули загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, то есть являются транзитными. Модули ядра постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

§ При наличии аппаратной поддержки режимов с разными уровнями полномочий устойчивость ОС может быть повышена путем выполнения функций ядра в привилегированном режиме, а вспомогательных модулей ОС и приложений - в пользовательском. Это дает возможность защитить коды и данные ОС и приложений от несанкционированного доступа. ОС может выступать в роли арбитра в спорах приложений за ресурсы.

§ Ядро, являясь структурным элементом ОС, в свою очередь, может быть логически разложено на следующие слои (начиная с самого нижнего):

§ машинно-зависимые компоненты ОС;

§ базовые механизмы ядра;

§ менеджеры ресурсов;

§ интерфейс системных вызовов.

§ В многослойной системе каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. На основе функций нижележащего слоя следующий вверх по иерархии слой строит свои функции - более сложные и более мощные, которые, в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя. Многослойная организация ОС существенно упрощает разработку и модернизацию системы.

§ Любая ОС для решения своих задач взаимодействует с аппаратными средствами компьютера, а именно: средствами поддержки привилегированного режима и трансляции адресов, средствами переключения процессов и защиты областей памяти, системой прерываний и системным таймером. Это делает ОС машинно-зависимой, привязанной к определенной аппаратной платформе.

§ Переносимость ОС может быть достигнута при соблюдении следующих правил. Во-первых, большая часть кода должна быть написана на языке, трансляторы которого имеются на всех компьютерах, куда предполагается переносить систему. Во-вторых, объем машинно-зависимых частей кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован. В-третьих, аппаратно-зависимый код должен быть надежно локализован в нескольких модулях.

§ Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения ОС, в соответствии с которым все основные функции ОС, составляющие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. В микроядерных ОС в привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром. Все остальные высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме.

§ Микроядерные ОС удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства приходится платить снижением производительности, что является основным недостатком микроядерной архитектуры.

§ Прикладная программная среда - совокупность средств ОС, предназначенная для организации выполнения приложений, использующих определенную систему машинных команд, определенный тип API и определенный формат исполняемой программы. Каждая ОС создает как минимум одну прикладную программную среду. Проблема состоит в обеспечении совместимости нескольких программных сред в рамках одной ОС. При построении множественных прикладных сред используются различные архитектурные решения, концепции эмуляции двоичного кода, трансляции API.

Задачи и упражнения

1. Какие из приведенных ниже терминов являются синонимами?

§ привилегированный режим;

§ защищенный режим;

§ режим супервизора;

§ пользовательский режим;

§ реальный режим;

§ режим ядра.

2. Можно ли, анализируя двоичный код программы, сделать вывод о невозможности ее выполнения в пользовательском режиме?

3. В чем состоят отличия в работе процессора в привилегированном и пользовательском режимах?

4. В идеале микроядерная архитектура ОС требует размещения в микроядре только тех компонентов ОС, которые не могут выполняться в пользовательском режиме. Что заставляет разработчиков операционных систем отходить от этого принципа и расширять ядро за счет перенесения в него функций, которые могли бы быть реализованы в виде процессов-серверов?

5. Какие этапы включает разработка варианта мобильной ОС для новой аппаратной платформы?

6. Опишите порядок взаимодействия приложений с ОС, имеющей микроядерную архитектуру.

7. Какими этапами отличается выполнение системного вызова в микроядерной ОС и ОС с монолитным ядром?

8. Может ли программа, эмулируемая на «чужом» процессоре, выполняться быстрее, чем на «родном»?

Альтернатива эмуляции – множественныеприкладные среды , в которую входит набор функций прикладного интерфейса API. Они имитируют обращение к библиотечным функциям прикладной среды, а на самом деле обращаются к своим внутренним библиотекам. Это называется трансляцией библиотек . Это чисто программный комплекс.

Чтобы программа, написанная под одной ОС работала под другой, необходимо обеспечить бесконфликтное взаимодействие способов управления процессами в разных ОС.

Способы реализации прикладных программных сред

В зависимости от архитектуры:

1. Прикладная программная среда в виде приложения (верхний слой ядра родной ОС).

Пользовательский режим работы, трансляция системных вызовов (вызовов API) в вызовы «родной» ОС. Соответствует классическим многослойным ОС (Unix, Windows).

2. Наличие нескольких прикладных сред, функционирующих равноправно. Каждая в виде отдельного слоя ядра.

Привилегированный режим работы. API обращается к функциям нижележащего (привилегированного) слоя ОС. На систему ложится задача распознавания и адаптации вызова. Требуется большое количество ресурсов. В ядро передаётся набор идентифицирующих характеристик для распознавания.

3. Микроядерный принцип.

Любая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима. Приложения, используя API, обращаются системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос и через микроядро возвращает результат. Могул использоваться функции микроядра. Возможно многократное обращение к другим ресурсам (во время работы микроядра).

Интерфейсы ОС

Интерфейс ОС – это прикладная система программирования. Регламентируется с помощью стандартов (POSIX, ISO).

1. Пользовательский интерфейс – реализуется с помощью специальных программных модулей, которые транслируют запросы пользователя на специальном командном языке в запросы к ОС.

Совокупность таких модулей называется интерпретатором . Он выполняет лексический и синтаксический анализ и либо сам выполняет команду, либо передает ее API.

2. API – предназначен для предоставления прикладным программам ресурсов ОС и реализации других функций. API описывает совокупность функций, процедур, принадлежащих ядру и надстройкам ОС. API использует системные программы как в составе ОС, так и за ее пределами, используя прикладные программы посредством среды программирования.

В основе предоставления ОС-ой ресурсов в конечном итоге лежит программное прерывание. Их реализация в зависимости от системы (векторно, таблично). Существует несколько вариантов реализации API на уровне ОС (самый быстрый, самый низкий), на уровне системного программирования (более абстрагированный, менее быстрый) и на уровне внешней библиотеки процедур и функций (малый набор).

Интерфейсы ОС Linux:

· программный (без посредников – собственно выполнение системных вызовов);

· командной строки (посредник – оболочка интерпретатора Shell, перенаправляющая вызов);

· графический (посредники – Shell + графическая оболочка).

Файловая система

Файловая система - это часть ОС, предназначенной для обеспечения пользователям удобного интерфейса работы с файлами и обеспечения пользования файлами, хранимыми на внешних носителях (жёсткий диск + ОЗУ) несколькими пользователями и процессами.

По составу ФС:

· совокупность всех файлов на диске на всех носителях,

· наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске,

· комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Один из атрибутов файлов – имена файлов – способ идентификации файла для пользователя. В тех системах, где допускаются множественные имена, файлу присваивается индексный дескриптор, используемый ядром ОС. Имена в различных ОС задаются по-разному.

Рассмотрим структуру абстрактной многоязыковой, открытой, компилирующей системы программирования и процесс разработки приложений в данной среде (рис. 1.4).

Программа на исходном языке (исходный модуль) готовится с помощью текстовых редакторов и в виде текстового файла или раздела библиотеки поступает на вход транслятора.

Трансляция исходной программы есть процедура преобразования исходного модуля в проме­жуточную, так называемую объектную форму. Трансляция в общем случае включает в себя препроцессинг (предобработку) и компиляцию.

Препроцессинг – необязательная фаза, состоящая в анализе исходного текста, извлечения из него директив препроцессора и их выполнения.

Директивы препроцессора представляют собой помеченные спецсимволами (обычно %, #, &) строки, содержащие аббревиатуры, символические обозначения и т.д. конструкций, включаемых в состав исходной программы перед ее обработкой компилятором.

Данные для расширения исходного текста могут быть стандартными, определяться пользо­вателем либо содержаться в системных библиотеках ОС.

Компиляция - в общем случае многоступенчатый процесс, включающий следующие фазы:

Лексический анализ – проверка лексического состава входного текста и перевод составных символов (операторов, скобок, идентификаторов и пр.) в некоторую промежуточную внутреннюю форму (таблицы, графы, стеки, гиперссылки), удобную для дальнейшей обработки;

синтаксический анализ – проверка правильности конструкций, использованных програм­мистом при подготовке текста;

семантический анализ – выявление несоответствий типов и структур переменных, функций и процедур;

Генерация объектного кода – завершающая фаза трансляции.

Выполнение трансляции (компиляции) может осуществляться в различных режимах, установка которых производится с помощью ключей, параметров или опций. Может быть, например, потребовано только выполнение фазы синтаксического анализа и т.п.

Объектный модуль (object module) – программный модуль, являющийся результатом компи­ляции исходного модуля. Он включает машинные инструкции, словари, служебную информацию.

Объектный модуль не работоспособен, поскольку содержит неразрешенные ссылки на вызываемые подпрограммы библиотеки транслятора (в общем случае – системы программирования), реализующие функции ввода/вывода, обработки числовых и строчных переменных, а также на другие программы пользователей или средства пакетов прикладных программ.

Рис. 1.4. Абстрактная многоязыковая, открытая, компилирующая система программирования

Загрузочный модуль – программный модуль в виде, пригодном для загрузки и выполнения. Построение загрузочногомодуля осуществляется специальными программными средствами – редактор связей, построитель задач, компоновщик, сборщик, основной функцией которых является объединение объектных и загрузочных модулей в единый загрузочный модуль с последующей записью в библиотеку или файл. Полученный модуль в дальнейшем может использоваться для сборки других программ и т.д., что создает возможность наращивания программного обеспечения.

Загрузочный модуль после сборки либо помещается в пользовательскую библиотеку программ, либо направляется на исполнение непосредственно. Выполнение модуля состоит в загрузке его в оперативную память, настройке по месту в памяти и передаче ему управления. Образ загрузочного модуля в памяти называется абсолютным модулем, поскольку все команды ЭВМ здесь приобретают окончательную форму и получают абсолютные адреса в памяти. Формирование абсолютного модуля может осуществляться как программно, путем обработки командных кодов модуля программой-загрузчиком, так и аппаратно путем применения индексирования и базирования команд загрузоч­ного модуля и приведения указанных в них относительных адресов к абсолютной форме.

Современные системы программирования позволяют удобно переходить от одного этапа к другому. Это осуществляется наличием так называемой интегрированной среды программирования, которая содержит в себе текстовый редактор, компилятор, компоновщик, встроенный отладчик и в зависимости от системы или ее версии предоставляет программисту дополнительные удобства для написания и отладки программ.

Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно свя­занной со структурой операционной системы. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечиваю­щими различную степень переносимости приложений.

Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В операционных системах, построенных с использовани­ем микроядерной концепции, таких как, например, Windows NT, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в операционной системе OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в систему.

Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных приклад­ных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС. На рис. 2.7 операционная система ОС1 поддерживает кроме своих «родных» приложений приложения операционной системы ОС2. Для этого в ее составе имеется специальное приложение – прикладная программная среда, которая транс­лирует интерфейс «чужой» операционной системы –API ОС2 в ин­терфейс своей «родной» операционной системы – API ОС1.

Пользовательский режим

Привилегированный режим

Рис. 2.7. Прикладная программная среда,
транслирующая системные вызовы

В другом варианте реализации множественных прикладных сред операционная система имеет несколько равноправных прикладных програм-мных интерфейсов. В приведенном на рис. 2.8 примере операционная си-стема поддерживает прило­жения, написанные для OС1, OС2 и OС3. Для этого непосредственно в простран­стве ядра системы размещены приклад-

ные программные интерфейсы всех этих ОС: API OС1, API OС2 и
API OС3.

Пользовательский режим

Привилегированный

Рис. 2.8. Реализация совместимости
на основе нескольких равноправных API

В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае не совмести­мые прикладные среды. В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т.д. Функции каж­дого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже если они имеют аналогичное назначение.

Еще один способ построения множественных прикладных сред основан на мик­роядерном подходе. При этом очень важно отделить базовые, общие для всех прикладных сред, механизмы операционной системы от специфических для каж­дой из прикладных сред высокоуровневых функций, решающих стратегические задачи.

В соответствии с микроядерной архитектурой все функции ОС реализуются мик­роядром и серверами пользовательского режима. Важно, что каждая прикладная среда оформляется в виде отдельного сервера пользовательского режима и не включает базовые механизмы (рис. 2.9). Приложения, используя API, обра­щаются с системными вызовами к соответствующей прикладной среде через микроядро. Прикладная среда обрабатывает запрос, выполняет его (возможно, обращаясь для этого за помощью к базовым функциям микроядра) и отсылает приложению результат. В ходе выполнения запроса прикладной среде приходит­ся, в свою очередь, обращаться к базовым механизмам ОС, реализуемым микро­ядром и другими серверами ОС.

Приложения Серверы ОС

Пользовательский

Привилегированный

Рис. 2.9. Микроядерный подход
к реализации множественных прикладных сред

Такому подходу к конструированию множественных прикладных сред присущи все достоинства и недостатки микроядерной архитектуры, в частности:

очень просто можно добавлять и исключать прикладные среды, что является следствием хорошей расширяемости микроядерных ОС;

надежность и стабильность выражаются в том, что при отказе одной из при­кладных сред все остальные сохраняют работоспособность;

низкая производительность микроядерных ОС сказывается на скорости рабо­ты прикладных сред, а значит, и на скорости выполнения приложений.

Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и перемещать ее между опера­ционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совмес­тимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора опе­рационных систем и более легкий доступ к качественному программному обес­печению.

Вопросы для самопроверки

50. В чем отличие микроядерной архитектуры от традиционной архитектуры ОС?

51. Почему микроядро хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений?

52. Что подразумевается под концепцией множественных прикладных сред?

53. В чем суть метода трансляции библиотек?

Контрольные вопросы

54. Каким термином в микроядерной архитектуре принято называть менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим?

56. Почему микроядерная архитектура ОС в большей степени расширяема, чем классическая ОС?

57. Является ли микроядерная архитектура более надежной, чем традиционная?

58. Укажите причину, по которой производительность микроядерной архитектуры ниже, чем производительность традиционной ОС.

60. Какие виды совместимости Вам известны?

61. За счет каких действий достигается двоичная совместимость для процессоров различных архитектур?

62. Укажите способ, который позволяет повысить производительность ПК при выполнении «чужого» исполняемого файла.

63. Достаточно ли одного метода трансляции библиотек для полной совместимости приложений?