itmo_conspects
Лекция 6. Архитектура ОС, часть 3
Основная проблема, стоящая перед системной архитектурой, - какой код вносить в ядро и какой код выносить
Первая концепция, которая появилась, - монолитная архитектура ядра
Монолитная архитектура
В “монолите” выделяют 3 слоя:
- Главная программа принимает системные вызовы. Главная программа знает, какой процесс его вызвал, что за системный вызов и аргументы вызова, а после передает вызов в нужный сервис
- Сервисы выполняют определенный вызов, используя утилиты. Если сервис не может совершить операцию (например, мало оперативной памяти), то вызов передается обратно в главную программу
- Утилиты - часть ядра, задействующая аппаратное обеспечение (по факту драйвера)
После этого появилась многослойная монолитная архитектура
Многослойная монолитная архитектура
В многослойной монолитной архитектуре слоев стало больше:
- Аппаратное обеспечение
- Аппаратная поддержка ядра определяется чипсетом и кодом в микроконтроллерах на материнской плате
- Машинно-зависимые модули (HAL - Hardware Abstraction Layer, драйвера или модули ядра) абстрагируют код ядра от аппаратного обеспечения
- Базовые механизмы ядра - базовые детерминированные алгоритмы
- Менеджер ресурсов - стохастические алгоритмы, принимающие решения по организации ресурсов
- Системные вызовы и API
Круги отражают размер кода соответствующего уровня, например, аппаратная поддержка ядра - микрокод на чипсете, занимающий порядка килобайта, тогда как менеджер ресурсов может занимать уже мегабайты
Ядро становилось все больше и больше, а оперативная память не увеличивалась такими большими темпами - поэтому ядро стало занимать все большую часть памяти
Второй проблемой стала задача построения распределенных систем. Если разместить на двух узлах операционные системы, то они должны разделять пул ресурсов, а также иметь одного менеджера для согласованности решений. Поэтому было принято решение вынести менеджеров ресурсов за пределы ядра
Появляется микроядерная архитектура
Микроядерная архитектура
В микроядерной архитектура можно выделить условно три слоя: АО, ПО в режиме ядра (привилегированном), ПО в пользовательском режиме. Базовые механизмы ядра, обработчики системых вызовов и HAL остаются в пределах ядра, а другие сервисы (такие как сервера памяти, дисков, библиотеки, API и т. д.) существуют как процессы внутри пользовательского режима
Пример: приложение хочет выделить память на куче, приложение вызывает вызов API, который переводит его библиотеке, которая переводит его серверу памяти и т. д. - между всеми этими переводами стоит ядро
В микроядерной архитектуре модули на уровне пользовательского режима можно вынести в подкачку на диск. Но вместо этого мы получили десятки переключений процессов и использование виртуализации
Также возникают проблемы с надежностью, например, выгрузка сервера диска в файл подкачки на диск. В это время ядро с монолитной архитектурой весит намного больше ядра микроядерного
Надо понимать, что нет лучшего решения между монолитной и микроядерной архитектурами - все это поиск компромисса
Другие архитектуры
Модульная архитектура
Для Linux пришли к модульной архитектуре: компоненты ядра независимы и соединены между собой очередями запросов. Во время переключения компонентов запросы скапливаются в очередь, а при подключении новый компонент отрабатывает эти запросы. Таким образом, модули можно менять прямо в рантайме
Собирают биолога, математика и физика и просят их придумать что-нибудь, чтобы всегда выигрывать на бегах. Через месяц они снова собираются и рассказывают «о проделанной работе». Биолог:
— За месяц я вывел породу лошадей, которые отличаются необыкновенной скоростью и почти всегда выигрывают. Для того, чтобы довести ее до ума мне нужно еще пару месяцев.
Математик:
— Я почти разработал теорию, которая описывает вероятность выиграша в каждом конкретном забеге, теперь мне еще нужно примерно полгода, $1000 и помощник для того чтобы проверить ее на практике, а также снизить статистические погрешности.
Физик:
— Для того, чтобы продолжить работу мне нужен $1000000, хорошо укомплектованная лаборатория, штат сотрудников и еще где-то лет десять. Но зато у меня уже готова теория победы жидкого сферического коня в вакууме.
Наноядерная архитектура
В наноядерной архитектуре ядро разделяют “поперек” слоев. В них может быть, например, упрощенный менеджер ресурсов или набор только необходимых драйверов
Наноядерная архитектура применяется в системах виртуализации
Экзоядерная архитектура
В экзоядерной архитектуре машинно-зависимые модули выносят наружу ядра (а именно в библиотеки с пользовательским режимом), а менеджер ресурсов внутри, чтобы он работал без виртуализации
Гибридная архитектура
В гибридной архитектуре предполагается, что модули ядра можно оставлять в ядре, можно делать вокруг них обертку для их виртуализации и вынести в пользовательский режим