ВС, работающую под управлением ОС многослойной структуры, представляется в виде трех иерархически расположенных слоев:
1) нижний слой образует аппаратура;
2) промежуточный слой – ядро;
3) верхний слой составляют утилиты, обрабатывающие программы и приложения.
Трехслойная схема вычислительной системы
Правила.
1. Каждый слой может взаимодействовать только со смежными слоями.
2. Приложения не могут непосредственно
взаимодействовать с аппаратурой, а только через слой ядра.
3. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя
для него некоторый набор функций, образующих межслойный интерфейс.
4. На основе функций нижележащего слоя следующий
(вверх) слой строит свои более сложные и более мощные функции. Эти функции в свою очередь, оказываются примитивами для создания еще более мощных функций вышележащего слоя.
Строгие правила касаются только взаимодействия между слоями системы, а между модулями внутри слоя связи могут быть произвольными. Отдельный модуль может выполнить свою работу:
1) либо самостоятельно,
2) либо обратиться к другому модулю своего слоя,
3) либо обратиться за помощью к нижележащему слою через межслойный интерфейс.
Ядро в свою очередь представляет собой сложный многофункциональный комплекс. Поэтому применим многослойный подход и на структуру ядра. Ядро может состоять из следующих слоев.
Многослойная структура ядра ОС
1. Средства аппаратной поддержки ОС. До сих пор об операционной системе говорилось как о комплексе программ, но, вообще говоря, часть функций ОС может выполняться и аппаратными средствами. Поэтому операционную систему определяют как совокупности программных и аппаратных средств
К операционной системе относят только те средства аппаратной поддержки ОС, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов:
· средства поддержки привилегированного режима;
· средства трансляции адресов;
· систему прерываний;
· средства переключения процессов;
· системный таймер;
· средства защиты областей памяти и т. п.
Поговорим только о средствах поддержки привилегированного режима, трансляции адресов и системе прерываний.
Средства поддержки ПРобычно основаны на системном регистре процессора, называемом «словом состояния». Он содержит признаки, определяющие режимы работы процессора, в том числе и признак текущего режима привилегий. Смена режима привилегий выполняется за счет изменения слова состояния машины в результате прерывания или выполнения привилегированной команды. Число градаций привилегированности может быть разным у разных типов процессоров. В обязанности средств поддержки ПР входит проверка допустимости выполнения активной программой команд процессора при текущем уровне привилегированности.
Средства трансляции адресоввыполняют операции преобразования виртуальных адресов, которые содержатся в кодах процесса, в адреса физической памяти. Таблицы, предназначенные при трансляции адресов, обычно имеют большой объем, поэтому для их хранения используются области оперативной памяти, а аппаратура процессора содержит только указатели для доступа к элементам таблиц и аппаратного выполнения алгоритма преобразования адреса.
Система прерываний позволяет компьютеру:
- реагировать на внешние события;
- синхронизировать выполнение процессов и работу устройств ввода-вывода;
- быстро переходить с одной программы на другую.
Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, что произошло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода-вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Важный тип аппаратных прерываний – прерывания таймера, которые генерируются периодически через фиксированный промежуток времени. Прерывания таймера используются операционной системой при планировании процессов. Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер, однозначно определяющий источник прерывания. Аппаратное прерывание – это асинхронное событие, то есть оно возникает вне зависимости от того, какой код исполняется процессором в данный момент. Обработка аппаратного прерывания не должна учитывать, какой процесс является текущим.
Механизм прерываний нужен для оповещения процессора о возникновении в вычислительной системе некоторого непредсказуемого события или события, которое не синхронизировано с циклом работы процессора. Примерами таких событий могут служить:
- завершение операции ввода-выводы внешним устройством (например, запись блока данных контроллером диска)
- некорректное завершение арифметической операции (например, переполнение регистра);
- истечение интервала астрономического времени и т.д.
При возникновении условий прерывания его источник (контроллер внешнего устройства, таймер, арифметический блок процессора и т.д.) выставляет определенный электрический сигнал. Этот сигнал прерывает выполнение процессором последовательности команд, задаваемой исполняемым кодом, и вызывает автоматический переход на заранее определенную процедуру, называемую процедурой обработки прерываний. В большинстве моделей процессоров отрабатываемый аппаратурой переход на процедуру обработки прерываний сопровождается заменой слова состояния машины. Это позволяет одновременно с переходом по нужному адресу выполнить переход в привилегированный режим. После обработки прерывания обычно происходит возврат к исполнению прерванного кода.
