Вопрос № 2 «Микроядерная структура»

С овременная тенденция в разработке ОС - перенесение значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра (микроядерной архитектурой (microkernel architecture) ОС, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром.

Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью.

Остальные компоненты системы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений через микроядро.

Структура микроядерной системы.

Рис. Операционная система выполняется в виде набора изолированных пользовательских процессов поверх крошечного ядра.

Поддержка функциональных возможностей стандартной операционной системы, представленных в монолитном ядре, перемещается в пользовательское адресное Минимальное ядро включает обработчики прерываний, механизм для запуска и остановки процессов (путем загрузки регистров MMU и ЦП), планировщик и механизм поддержки межпроцессных коммуникаций; в идеальном случае больше в ядро не входит ничего. пространство, и соответствующий код больше не выполняется на наиболее привилегированном уровне.

С логической точки зрения пользовательские процессы можно разбить на три уровня, хотя с точки зрения ядра все они являются всего лишь процессами. Самый низкий уровень процессов, выполняемых в пользовательском режиме, занимают драйверы устройств, каждый из которых управляет некоторым устройством. Мы реализовали драйверы для интерфейса IDE, гибких и жестких дисков, клавиатуры, дисплеев, аудио-устройств, принтеров и различных карт Ethernet. Выше уровня драйверов находятся серверные процессы. В их число входят файловый сервер, сервер процессов, сетевой сервер, информационный сервер, сервер реинкарнации и другие. Над уровнем серверов выполняются обычные пользовательские процессы, включая различные интерпретаторы shell, компиляторы, утилиты и прикладные программы. Не считая небольшого числа исключений, серверы и драйверы являются нормальными пользовательскими процессами.

Достоинства – надежность, за счет высокой степени модульности ядра ОС существенно упрощается добавление в него новых компонент.

Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая ее работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. И чтобы добавить в ОС с микроядром драйвер того или иного устройства, не надо перекомпилировать всё ядро, а надо лишь отдельно откомпилировать этот драйвер и запустить его в пользовательском пространстве.

Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра

Недостатки - микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что отрицательно влияет на производительность.

Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними.

Таким образом, основная сложность при создании микроядерных операционных систем — необходимость очень аккуратного проектирования.