Операционная система: Введение

Что такое операционная система?

Операционная система - это уровень системного программного обеспечения между приложениями и оборудованием, который абстрагирует (то есть упрощает то, как на самом деле выглядит оборудование) и выполняет арбитраж (то есть управляет, за границей и контролирует использование оборудования).

Функции операционной системы

Скрывает сложность оборудования: ОС скрывает сложность оборудования как для приложений, так и для разработчиков приложений. Разработчикам приложений, например, не нужно беспокоиться о дисковых секторах или блокировках при сохранении файла на диск. Фактически, механизм чтения / записи файла на жестком диске отличается от чтения / записи файла на USB-накопитель или SSD, который обрабатывается ОС. Точно так же ОС абстрагирует сетевой ресурс и предоставляет абстракцию более высокого уровня, называемую Socket, и предоставляет некоторые услуги для отправки и получения пакетов из этого сокета.
Управление ресурсами: ОС также управляет ресурсами, используемыми приложением. Он решает, сколько и какой из вышеперечисленных ресурсов будет использоваться приложением, выделяет им память, назначает эти задачи ЦП, который может их выполнять, контролирует доступ к приложениям для различных устройств в системе и т. Д. ОС в целом. отвечает за управление всеми типами ресурсов и их выделение этим приложениям.
Обеспечивает изоляцию и защиту. Когда несколько приложений одновременно работают на одном оборудовании, ОС должна обеспечивать надлежащий прогресс каждого из них и не наносить вред друг другу. Например, ОС выделяет разные части физической памяти разным приложениям и следит за тем, чтобы они не обращались к памяти друг друга.

Некоторые примеры операционных систем: Windows, Linux, MacOS, iOS, Android, Symbian и т. Д.

Элементы ОС

Абстракции: Абстракция - это упрощение того, как на самом деле выглядит оборудование, некоторые абстракции ОС - это процесс, поток, файл, сокет, страница памяти и т. д. Я буду обсуждать их в следующих статьях.
Механизм: Чтобы работать с вышеуказанной абстракцией, ОС должна знать механизм, то есть реализацию или задействованные шаги, которые определяют, как выполнять некоторые действия. Вот некоторые общие механизмы: создание, расписание, открытие, запись, выделение и т. Д.
Политика. Политика - это способы выбрать, какое действие выполнять, максимальное количество сокетов, к которым приложение может иметь доступ, сколько памяти выделить и т. д. Некоторые общие политики - это наименее недавно использованные (LRU) , Сначала самый ранний крайний срок (EDF) и т. Д.

Принципы разработки ОС

Разделение механизма и политики: механизмы определяют, как что-то делать; политика определяет, что будет сделано. Например, конструкция таймера (см. Раздел 1.5.2) - это механизм для обеспечения защиты ЦП, но решение о том, как долго таймер должен быть установлен для конкретного пользователя, является политическим решением.
Оптимизация для общего случая: Где будет использоваться ОС? Что пользователь захочет выполнить на этой машине? Каковы требования к рабочей нагрузке?

Ядро и ОС

ОС - это пакет, который напрямую взаимодействует с оборудованием и нашим приложением, тогда как ядро - это самый низкий уровень ОС и ядро ОС с полным контролем над всем в системе. это одна из первых программ, загружаемых при запуске (после загрузчика). Он обрабатывает остальную часть запуска, а также запросы ввода / вывода от программного обеспечения, переводя их в инструкции обработки данных для ЦП.

Граница защиты пользователя / ядра

Пользовательский режим: в пользовательском режиме исполняемый код не имеет возможности напрямую обращаться к оборудованию или справочной памяти. Код, работающий в пользовательском режиме, должен запрашивать службы у ядра с помощью системных вызовов для доступа к оборудованию или памяти. Большая часть нашего приложения выполняется в этом режиме.

Режим ядра. В режиме ядра исполняемый код имеет полный и неограниченный доступ к базовому оборудованию. Он может выполнять любую инструкцию ЦП и ссылаться на любой адрес памяти. Режим ядра обычно зарезервирован для самых низкоуровневых и наиболее надежных функций операционной системы.

Чтобы достичь своей цели по контролю и управлению аппаратными ресурсами от имени приложений, операционная система должна иметь особые привилегии для прямого доступа к оборудованию. ОС должна работать в режиме ядра. А все приложения работают в пользовательском режиме. Если приложение хочет, чтобы ОС выполняла определенную задачу или службу, например, выделение памяти, доступ к некоторым файлам с диска, доступ к сетевому ресурсу и т. Д., Оно должно явно вызывать системные вызовы, которые являются режимом связи между приложениями и ОС. ОС также поддерживает signal, который представляет собой механизм, с помощью которого ОС передает уведомления в приложение.

Бит, называемый битом режима, добавляется к оборудованию компьютера, чтобы указать текущий режим: ядро (0) или пользовательский (1). С помощью бита режима мы можем различать задачу, выполняемую от имени операционной системы, и задачу, выполняемую от имени пользователя.

Системные вызовы. Системный вызов - это программный способ, которым компьютерная программа запрашивает службу у ядра ОС. Это может включать в себя услуги, связанные с оборудованием, такие как доступ к файлам с жесткого диска, создание и выполнение новых процессов и т. Д.

Схема системных вызовов

Первоначально (1) процесс приложения выполняется в пользовательском режиме, при выполнении (2) если приложению требуется доступ к некоторому файлу или требуется ввод данных от пользователя, или, возможно, приложение хочет выполнить сетевой вызов, наше приложение создаст систему вызов, управление будет передано ядру, а бит режима будет установлен в 0. Операционная система выполнит любую операцию, указанную в системном вызове, после того как эта ОС изменит бит режима обратно на 1 и вернет результат процессу. Системный вызов включает изменение контекста выполнения в режим ядра, а затем обратно в пользовательский режим, поэтому системный вызов не из дешевых.

Перед выполнением системного вызова процесс подачи заявки должен:

Аргумент записи: для выполнения системного вызова некоторые данные (пакеты данных для отправки, адрес файла для чтения / записи и т. д.) должны быть переданы ядру, которое передается как аргументы системного вызова.
Сохраните соответствующие данные в четко определенном месте. Необходимо четко определить местоположение, чтобы ядро могло определить, какие аргументы, сколько аргументов оно должно получить и их расположение в памяти.
Сделайте системный вызов с определенным номером системного вызова, который необходим для доступа к аргументам и другим важным данным.

Аргументы можно передать напрямую или косвенно, указав их адрес.

Переход пользователя / ядра

Приложениям может потребоваться доступ к определенным типам оборудования или запрос на некоторые изменения в распределении аппаратных ресурсов и т. Д., Которые могут быть выполнены только операционной системой.

Оборудование обеспечивает поддержку перехода между пользователем и ядром, например, оборудование вызовет ловушку, если приложение из непривилегированного режима попытается выполнить какую-либо инструкцию или доступ к памяти, или если у него нет разрешения, для Например, процесс приложения не может изменить содержимое некоторых регистров и выделить себе больше ЦП или выделить больше памяти. После прерывания управление передается операционной системе, и бит режима устанавливается в 0, на этом этапе ОС проверяет, что вызывает tarp, и может выбрать, разрешить или отклонить тот конкретный запрос, который вызывает прерывание.

Выполнение всех этих задач требует ряда инструкций, что делает системный вызов дорогостоящей операцией.

Доступ к памяти примерно в 100 раз медленнее, чем доступ к кешу. Доступ к кешу происходит близко к циклам процессора, что делает его очень быстрым. Производительность приложения очень зависит от кеша, поэтому, когда управление передается ОС, она переносит свое собственное содержимое в кэш-память для выполнения системного вызова, заменяя содержимое приложения. Таким образом, после выполнения системного вызова приложение больше не сможет получить доступ к своим данным в кэше, и ему придется обращаться к памяти для доступа к своим данным, что делает переход между пользователем и ядром еще более дорогостоящим.

Базовые службы операционной системы

Операционная система предоставляет ряд услуг, некоторые из которых напрямую связаны с базовым оборудованием, например, с планированием или управлением памятью, а другие связаны с абстракциями более высокого уровня, такими как файловая система.

Некоторые примеры услуг, предоставляемых операционной системой для удобства пользователя:

Выполнение программы. Операционная система предоставляет среду, в которой пользователь может удобно запускать программы. Запуск программы включает в себя выделение и освобождение памяти, планирование ЦП и т. Д., Пользователю не нужно беспокоиться об этих вещах. О них позаботятся операционные системы.
Операции ввода-вывода. Одна из важных задач операционной системы - управлять различными устройствами ввода-вывода, включая мышь, клавиатуру, тачпад, дисковые накопители, адаптеры дисплея, USB-устройства, растровый экран и т. д. Светодиод, аналого-цифровой преобразователь, переключатель включения / выключения, сетевые соединения, аудиовходы / выходы, принтеры и т. Д. Операционная система скрывает от пользователя детали базового оборудования для эффективного и защищенного использования операций ввода-вывода.
Файловая система: пользовательскому процессу может потребоваться чтение / запись файла с диска. Операционная система предоставляет эту услугу. Пользователю не нужно беспокоиться об управлении вторичным хранилищем. Пользователь дает команду на чтение или запись в файл и видит, что его задача выполнена.
Связь. Бывают случаи, когда процессам необходимо взаимодействовать друг с другом для обмена информацией. Это может происходить между процессами, запущенными на одном компьютере или на разных компьютерах. Предоставляя эту услугу, операционная система избавляет пользователя от необходимости передавать сообщения между процессами.
Обнаружение ошибок: ошибка одной части системы может вызвать сбой в работе всей системы. Чтобы избежать такой ситуации, операционная система постоянно контролирует систему на предмет ошибок. Это избавляет пользователя от беспокойства об ошибках, распространяющихся на различные части системы и вызывающих сбои в работе. Эта служба не может обрабатываться пользовательскими программами, потому что она включает в себя мониторинг и, в некоторых случаях, изменение области памяти или освобождение памяти для неисправного процесса. Или, может быть, отказ от ЦП процесса, который входит в бесконечный цикл. Эти задачи слишком важны, чтобы их можно было передать пользовательским программам. Пользовательская программа, если ей даны эти привилегии, может мешать правильной (нормальной) работе операционных систем.
Защита: учитывая, что компьютерная система имеет несколько пользователей и одновременно выполняется несколько процессов, различные процессы должны быть защищены от действий друг друга. Защита относится к механизму или способу управления доступом программ, процессов или пользователей к ресурсам, определенным компьютерной системой.

ОС делает все эти службы доступными через системные вызовы. Ниже приведены некоторые популярные системные вызовы для Windows и Linux.

Различные типы архитектуры операционной системы

Монолитная архитектура. Монолитная ОС - одна из старейших архитектур ОС. В этой ОС все возможные службы, которые могут потребоваться приложению или какое-либо оборудование, уже являются частью операционной системы. Все основные службы ОС, такие как управление процессами, управление файлами, управление памятью, обработка исключений, взаимодействие процессов и т. Д., Присутствуют только внутри ядра. Он также может включать несколько файловых систем: одну для последовательных рабочих нагрузок, а другую - для произвольного ввода-вывода. Это делает ОС очень большой.
Преимущества: Все включено в операционную систему, то есть все абстракции, службы и т. д., и все упаковано одновременно, поэтому есть некоторые возможности встраивания и оптимизации во время компиляции.
Недостатки: ОС этого типа очень велика, поэтому существует слишком много состояний, слишком много кода, который сложно поддерживать, отлаживать, обновлять и требовать больше памяти, что делает меньше памяти доступной для приложений.
Модульная архитектура: это наиболее распространенный сегодня подход. Он имеет ряд базовых сервисов и API-интерфейсов, которые уже являются его частью, но также все (файловая система, планировщик и т. Д.) Можно настроить как модуль. Операционная система определяет определенные интерфейсы, которые модуль должен реализовать отдельно от операционной системы, поэтому в зависимости от наших потребностей мы можем настраивать различные службы, динамически устанавливая модули.
Преимущества. Его легче поддерживать и обновлять, он имеет меньшую кодовую базу и менее ресурсоемкий, что означает, что приложение может оставить больше ресурсов и памяти для использования, что может привести к повышению производительности.
Недостатки: из-за своей модульности и настраиваемости это может уменьшить некоторые возможности для оптимизации, которые могут иметь некоторое влияние на производительность, хотя и не очень значительное. Техническое обслуживание может быть трудным, поскольку модули могут происходить из разных баз кода и могут содержать некоторые ошибки.
Микроядро. Микроядро включает только самые примитивные службы на уровне операционной системы. Микроядро поддерживает базовое низкоуровневое управление адресным пространством, управление потоками и межпроцессное взаимодействие (IPC). Все остальное, например файловая система, драйверы устройств и т. Д., Будет работать вне операционной системы на уровне пользователя. По этой причине микроядро требует большого количества межпроцессных взаимодействий, поэтому само микроядро поддерживает межпроцессное взаимодействие (IPC) как одну из своих основных абстракций.
Преимущества. Поскольку он не включает много абстракций, его размер очень мал, это может не только привести к снижению накладных расходов и повышению производительности, но и может быть очень легко протестировать и проверить код.
Недостатки: поскольку он имеет очень частые взаимодействия, требующие большого количества системных вызовов, которые требуют большого количества изменений режима защиты, то есть контекст выполнения много раз меняется из пользовательского режима в режим ядра, что является дорогостоящей операцией. Сложность программного обеспечения также очень высока, поскольку очень трудно найти общие компоненты программного обеспечения.

Резюме

В этом посте мы узнали о различных элементах операционной системы, таких как абстракции, механизмы и политики. мы обсудили различные службы, предоставляемые операционной системой, мы также узнали о связи между приложениями и ОС с помощью системных вызовов, а затем очень кратко узнали о различных типах архитектуры ОС, которые являются монолитной, модульной и Микроядро.