Микроядро – это минимальная часть операционной системы, являющаяся основой для модульных и переносимых расширений. Основная идея микроядра – создать необходимую среду верхнего уровня, из которой можно получить доступ ко всем функциям уровня аппаратного обеспечения [3].
В микроядре содержится минимальное количество кода, необходимое для реализации основных системных вызовов. К этим вызовам относятся передача сообщений и другие коммуникации между внешними по отношению к ядру процессами, управление прерываниями и некоторые другие функции. Остальные функции реализуются как модульные дополнения, взаимодействующие между собой с помощью сообщений.
Микроядро работает с наивысшим приоритетом и обеспечивает работу остальной части операционной системы как набора серверных приложений. Технология микроядра Mach (мэк) создана в университете Карнеги Меллон и служит основой многих операционных систем.
Функциональность микроядра ограничена с целью сокращения его размеров и перевода большей части операционной системы в ранг прикладной программы. Обычно микроядро поддерживает пять различных типов сервисов [3]:
Другие функции операционной системы размещаются в других сервисах ОС, работающих как приложения микроядра.
Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем [4]. В привилегированном режиме работает только очень небольшая часть операционной системы, называемая микроядром. Микроядро защищено от остальных частей ОС и от приложений. Набор функций микроядра соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Это те функции, которые нельзя выполнить в пользовательском режиме. На рисунке 1.2 показан механизм переноса основного объема функций ядра в пространство пользователя [4].
Благодаря своим размерам и способности поддерживать стандартные сервисы программирования микроядро проще ядер монолитных или модульных операционных систем.
Рисунок 4.1 – Перенос основного объема функций ядра в пространство пользователя
Все остальные функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначных рекомендаций о том, какие из системных функций следует выполнять в привилегированном режиме, а какие в пользовательском, не существует.
Менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, так как их основным назначением является обслуживание запросов приложений и других модулей ОС. Для реализации этого механизма необходимо наличие в ОС эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка этого механизма и является основной функцией микроядра.
На рисунке 4.2 показан механизм обращения к функциям ОС, оформленных в виде серверов. Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент операционной системы, запрашивает выполнение некоторой функции у соответствующего сервера, посылая ему сообщение. Непосредственная передача сообщений между приложениями невозможна, так как их адресные пространства изолированы друг от друга. Микроядро, выполняющееся в привилегированном режиме, имеет доступ ко всем адресным пространствам, поэтому может работать в качестве посредника. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соответствует модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.
Наиболее ярким представителем микроядерных ОС является операционная система реального времени QNX. Микроядро QNX планирует только планирование и диспетчеризацию процессов, их взаимодействие, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Такое микроядро обеспечивает лишь два десятка системных вызовов и имеет размер от 8 до 46 килобайт.
Рисунок 4.2 – Реализация системного вызова в микроядерной архитектуре
Для построения минимальной системы QNX к микроядру следует добавить менеджер процессов, который создает процессы, управляет ими и их памятью. Для применения QNX в настольной ПЭВМ, к микроядру следует добавить также файловую систему и менеджер устройств.
Все эти менеджеры выполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим.
Рассмотрим кратко достоинства и недостатки микроядерных ОС. К достоинствам их можно отнести:
- переносимость, обусловленная тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре,
- расширяемость, обусловленная ограниченным набором четко определенных интерфейсов микроядра; добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра,
- надежность, обусловленная тем , что каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в собственной области памяти, что защищает его от других серверов ОС (в традиционной операционной системе все модули могут влиять друг на друга); повышению надежности способствует также уменьшенный объем кода микроядра,
- пригодность для распределенных вычислений, так как использует механизмы клиент-серверного взаимодействия, причем серверы микроядерной ОС могут находиться как на одном, так и на разных компьютерах.
Основным недостатком микроядерной ОС является сниженная по сравнению с классической ОС производительность. Дело в том, что при классической организации ОС выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной архитектуре – четырьмя. Ситуация иллюстрируется рисунком 4.3.
Рисунок 4.3 – Смена режимов при выполнении системного вызова
Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT [3]. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая оболочка и высокоуровневые драйверы графических устройств были включены в состав сервера пользовательского режима, и вызов этих функций осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако, разработчикам стало ясно, что такой механизм существенно снижает быстродействие системы, поэтому в версии 4.0 перечисленные выше модули были включены в ядро. Этот факт отдалил ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но сделал систему более производительной.
