Микроядерная архитектура ос. Микроядерные операционные системы Функции микроядра

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 .

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 :

Управление виртуальной памятью,

Управление заданиями и потоками,

Межпроцессные коммуникации (IPC – inter-process communication),

Управление вводом-выводом и прерываниями,

Обеспечение клиент-серверного сервиса.

Другие функции операционной системы размещаются в других сервисах ОС, работающих как приложения микроядра.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем . 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 .

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 . 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.

    У этого термина существуют и другие значения, см. Amoeba (значения). Amoeba Разработчик Эндрю Таненбаум и др. Исходный код Открытый Первый выпуск 1983 Последняя версия 5.3 1996 Тип ядра Мик … Википедия

    Spring экспериментальная микроядерная объектно ориентированная операционная система, разработанная Sun Microsystems в начале 1990 х. В ней использовались принципы, сходные с теми, что использовались в ядре Mach. Разработка прекратилась в середине … Википедия

    Это список известных операционных систем. Операционные системы могут быть классифицированы по базовой технологии (UNIX подобные, пост UNIX/потомки UΝΙΧ), типу лицензии (проприетарная или открытая), развивается ли в настоящее время (устаревшие или … Википедия

    У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро. Ядро центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное… … Википедия

    Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавл … Википедия

    Служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не устанавливается на информационные статьи списки и глоссари … Википедия

    3.1.3a Разработчик Эндрю Таненбаум … Википедия

    Рабочий стол QNX 6 (Neutrino) по … Википедия

Лекция № 4. Микроядерная архитектура ОС

1. Концепция микроядерной архитектуры.

2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры

3. Совместимость ОС

1. Концепция микроядерной архитектуры

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу по­строения операционной системы. Под классической архитектурой в данном случае понимается рассмотренная выше структурная организация ОС, в соот­ветствии с которой все основные функции операционной системы, составляю­щие многослойное ядро, выполняются в привилегированном режиме. При этом некоторые вспомогательные функции ОС оформляются в виде приложений и выполняются в пользовательском режиме наряду с обычными пользователь­скими программами (становясь системными утилитами пли обрабатывающими программами). Каждое приложение пользовательского режима работает в собст­венном адресном пространстве и защищено тем самым от какого-либо вмеша­тельства других приложений. Код ядра, выполняемый в привилегированном ре­жиме, имеет доступ к областям памяти всех приложений, но сам полностью от них защищен. Приложения обращаются к ядру с запросами на выполнение сис­темных функций.

Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микро­ядром (рис. 1). Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также моду­ли, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением реги­стров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Рис. 1. Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство

Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в; виде при­ложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие ме­неджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра - фай­ловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., - становятся «периферийными» модулями, рабо­тающими в пользовательском режиме.

Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципи­альные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операци­онной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные ком­поненты также оформлены в виде приложений. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения, возникают крайне редко. Поэтому в операционных системах с классической ар­хитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.

Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого прило­жения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д. Именно по­этому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, то есть модулями, основным назначением которых является об­служивание запросов локальных приложений и других модулей ОС. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием являет­ся наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.

Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серве­ров, выглядит следующим образом (рис. 2). Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, 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 к адресным пространст­вам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посред­ника. Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Таким образом, работа микроядерной операционной системы соот­ветствует известной модели клиент-сервер, в которой роль транспортных средств выполняет микроядро.

https://pandia.ru/text/78/240/images/image003_9.jpg" width="520" height="224 src=">

Рис. 3. Смена режимов при выполнении системного вызова

Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая библиотека и высокоуров­невые драйверы графических устройств входили в состав сервера пользователь­ского режима, и вызов функций этих модулей осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако очень скоро разработчики Windows NT поняли, что такой механизм обращений к часто используемым функциям графического интерфейса существенно замедляет работу приложений и делает данную опера­ционную систему уязвимой в условиях острой конкуренции. В результате в вер­сию Windows NT 4.0 были внесены существенные изменения - все перечислен­ные выше модули были перенесены в ядро, что отдалило эту ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но зато резко повысило ее производительность.

Этот пример иллюстрирует главную проблему, с которой сталкиваются разра­ботчики операционной системы, решившие применить микроядерный подход, - что включать в микроядро, а что выносить в пользовательское пространство. В идеальном случае микроядро может состоять только из средств передачи сооб­щений, средств взаимодействия с аппаратурой, в том числе средств доступа к ме­ханизмам привилегированной защиты. Однако многие разработчики не всегда жестко придерживаются принципа минимизации функций ядра, часто жертвуя этим ради повышения производительности. В результате реализации ОС обра­зуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минималь­но возможным микроядром, а на другом - системы, подобные Windows NT, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.

3. Совместимость ОС

В то время как многие архитектурные особенности операционных систем непо­средственно касаются только системных программистов, концепция множест­венных прикладных сред непосредственно связана с нуждами конечных пользо­вателей - возможностью операционной системы выполнять приложения, написанные для других операционных систем. Такое свойство операционной системы называется совместимостью.

Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов

Необходимо различать совместимость на двоичном уровне и совместимость на уровне исходных текстов. Приложения обычно хранятся в ОС в виде исполняе­мых файлов, содержащих двоичные образы кодов и данных. Двоичная совмести­мость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение в среде другой ОС.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствую­щего компилятора в составе программного обеспечения компьютера, на котором предполагается выполнять данное приложение, а также совместимости на уров­не библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый исполняемый модуль.

Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчи­ков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах. Для пользователя, ку­пившего в свое время пакет (например, Lotus 1-2-3) для MS-DOS, важно, чтобы он мог запускать этот полюбившийся ему пакет без каких-либо изменений и на своей новой машине, работающей под управлением, например, Windows NT.

Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исход­ных текстов с существующими операционными системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор использует тот же набор команд (возможно, с некото­рыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута довольно просто. Для этого достаточно соблюдения сле­дующих условий:

* вызовы функций API, которые содержит приложение, должны поддерживать­ся данной ОС;

* внутренняя структура исполняемого файла приложения должна соответство­вать структуре исполняемых файлов данной ОС.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости операционным системам, предназначенным для выполнения на процессорах, имеющих разные архитек­туры. Помимо соблюдения приведенных выше условий необходимо организо­вать эмуляцию двоичного кода.

Пусть, например, требуется выполнить DOS-программу для IBM PC-совмести­мого компьютера на компьютере Macintosh. Компьютер Macintosh построен на основе процессора Motorola 680x0, а компьютер IBM PC - на основе процессора Intel 80x86. Процессор Motorola имеет архитектуру (систему команд, состав ре­гистров и т. п.), отличную от архитектуры процессора Intel, поэтому ему непо­нятен двоичный код DOS-программы, содержащей инструкции этого процес­сора. Для того чтобы компьютер Macintosh смог интерпретировать машинные инструкции, которые ему изначально непонятны, на нем должно быть установ­лено специальное программное обеспечение - эмулятор.

Эмулятор должен последовательно выбирать каждую двоичную инструкцию процессора Intel, программным способом дешифрировать ее, чтобы определить, какие действия она задает, а затем выполнять эквивалентную подпрограмму, на­писанную в инструкциях процессора Motorola. Так как к тому же у процессора Motorola нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в Intel, он должен также имитировать (эмулиро­вать) все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. Состоя­ние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды должно быть абсолютно таким же, как и в реальном процессоре Intel.

Это простая, но очень медленная работа, так как одна команда процессора Intel исполняется значительно быстрее, чем эмулирующая его последовательность ко­манд процессора Motorola.

Трансляция библиотек

Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных программных сред. Одной из составляющих, формирующих прикладную про­граммную среду, является набор функций интерфейса прикладного программи­рования API, которые операционная система предоставляет своим приложени­ям. Для сокращения времени на выполнение чужих программ прикладные среды имитируют обращения к библиотечным функциям.

Эффективность этого подхода связана с тем, что большинство сегодняшних про­грамм работают под управлением GUI (графических интерфейсов пользовате­ля) типа Windows, Mac или UNIX Motif, при этом приложения тратят большую часть времени, производя некоторые хорошо предсказуемые действия. Они не­прерывно выполняют вызовы библиотек GUI для манипулирования окнами и для других связанных с GUI действий. Сегодня в типичных программах 60-80 % времени тратится на выполнение функций GUI и других библиотечных вызо­вов ОС. Именно это свойство приложений позволяет прикладным средам ком­пенсировать большие затраты времени, потраченные на покомандное эмулирование программы. Тщательно спроектированная программная прикладная среда имеет в своем составе библиотеки, имитирующие внутренние библиотеки GUI, но написанные на «родном» коде. Таким образом достигается существенное ускорение выполнения программ с API другой операционной системы. Иногда такой подход называют трансляцией для того, чтобы отличать его от более мед­ленного процесса эмулирования кода по одной команде за раз.

Например, для Windows-программы, работающей на Macintosh, при интерпрета­ции команд процессора Intel 80x86 производительность может быть очень низкой. Но когда производится вызов функции GUI открытия окна, модуль ОС, реали­зующий прикладную среду Windows, может перехватить этот вызов и перена­править его на перекомпилированную для процессора Motorola 680x0 подпро­грамму открытия окна. В результате на таких участках кода скорость работы программы может достичь (а возможно, и превзойти) скорость работы на своем «родном» процессоре.

Чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Концепции, по­ложенные в основу разных ОС, могут входить в противоречие друг с другом. На­пример, в одной операционной системе приложению может быть разрешено не­посредственно управлять устройствами ввода-вывода, в другой - эти действия являются прерогативой ОС. Каждая операционная система имеет свои собствен­ные механизмы защиты ресурсов, свои алгоритмы обработки ошибок и исключи­тельных ситуаций, особую структуру процесса и схему управления памятью, свою семантику доступа к файлам и графический пользовательский интерфейс. Для обеспечения совместимости необходимо организовать бесконфликтное сосуще­ствование в рамках одной ОС нескольких способов управления ресурсами ком­пьютера.

Способы реализации прикладных программных сред

Создание полноценной прикладной среды, полностью совместимой со средой другой операционной системы, является достаточно сложной задачей, тесно свя­занной со структурой операционной системы. Существуют различные варианты построения множественных прикладных сред, отличающиеся как особенностями архитектурных решений, так и функциональными возможностями, обеспечиваю­щими различную степень переносимости приложений.

Во многих версиях ОС UNIX транслятор прикладных сред реализуется в виде обычного приложения. В операционных системах, построенных с использовани­ем микроядерной концепции, таких как, например, Windows NT или Workplace OS, прикладные среды выполняются в виде серверов пользовательского режима. А в OS/2 с ее более простой архитектурой средства организации прикладных сред встроены глубоко в операционную систему.

Один из наиболее очевидных вариантов реализации множественных приклад­ных сред основывается на стандартной многоуровневой структуре ОС. На рис. 4 операционная система OS1 поддерживает кроме своих «родных» приложений приложения операционных систем OS2 и OS3. Для этого в ее составе имеются специальные приложения - прикладные программные среды, - которые транс­лируют интерфейсы «чужих» операционных систем API OS2 и API OS3 в ин­терфейс своей «родной» операционной системы - API OS1. Так, например,

в случае, если бы в качестве OS2 выступала операционная система UNIX, а в ка­честве OS1 - OS/2, для выполнения системного вызова создания процесса forkO в UNIX-приложении программная среда должна обратиться к ядру операционной системы OS/2 с системным вызовом DosExecPgm().

Рис. 4. Прикладные программные среды, транслирующие системные вызовы

К сожалению, поведение почти всех функций, составляющих API одной ОС, как правило, существенно отличается от поведения соответствующих функций дру­гой ОС. Например, чтобы функция создания процесса в OS/2 DosExecPgmO пол­ностью соответствовала функции создания процесса forkO в UNIX-подобных системах, ее нужно было бы изменить, чтобы она поддерживала возможность ко­пирования адресного пространства родительского процесса в пространство про­цесса-потомка. (При нормальном же поведении этой функции память процесса-потомка инициализируется на основе данных нового исполняемого файла.)

В другом варианте реализации множественных прикладных сред операционная система имеет несколько равноправных прикладных программных интерфейсов. В приведенном на рис. 5 примере операционная-система поддерживает прило­жения, написанные для OS1, OS2 и OS3. Для этого непосредственно в простран­стве ядра системы размещены прикладные программные интерфейсы всех этих ОС: API OS1, API OS2 и API OS3.

В этом варианте функции уровня API обращаются к функциям нижележащего уровня ОС, которые должны поддерживать все три в общем случае несовмести­мые прикладные среды. В разных ОС по-разному осуществляется управление системным временем, используется разный формат времени дня, на основании собственных алгоритмов разделяется процессорное время и т. д. Функции каж­дого API реализуются ядром с учетом специфики соответствующей ОС, даже

если они имеют аналогичное назначение. Например, как уже было сказано, функция создания процесса работает по-разному для приложения UNIX и при­ложения OS/2. Аналогично при завершении процесса ядру также необходимо оп­ределять, к какой ОС относится данный процесс. Если этот процесс был создан по запросу UNIX-приложения, то в ходе его завершения ядро должно послать родительскому процессу сигнал, как это делается в ОС UNIX. А по завершении процесса OS/2, созданного с параметром EXEC_SYNC, ядро должно отметить, что идентификатор процесса не может быть повторно использован другим процес­сом OS/2. Для того чтобы ядро могло выбрать нужный вариант реализации сис­темного вызова, каждый процесс должен передавать в ядро набор идентифици­рующих характеристик.

https://pandia.ru/text/78/240/images/image006_0.jpg" width="527" height="282 src=">

Рис. 6. Микроядерный подход к реализации множественных прикладных сред

Создание в рамках одной операционной системы нескольких прикладных сред для выполнения приложений различных ОС представляет собой путь, который позволяет иметь единственную версию программы и переносить ее между опера­ционными системами. Множественные прикладные среды обеспечивают совмес­тимость на двоичном уровне данной ОС с приложениями, написанными для других ОС. В результате пользователи получают большую свободу выбора опе­рационных систем и более легкий доступ к качественному программному обес­печению.

  • Системное программирование ,
  • Разработка под Linux

    • Недавно Эндрю Татенбаум, профессор Амстердамского свободного университета, автор учебной и миниатюрной Unix системы Minix, вновь оказался в центре событий благодаря эпистолярному жанру. В своем письме Интел он поблагодарил компанию за использование Minix, посетовал на то, что та не трубила об этом на каждом шагу и заявил, что из-за этого мало кто знает о том, что Minix - на сегодняшний день самая популярная ОС на свете .



    Надо отдать должное профессору, он умеет выбирать адресата, время и место для того, чтобы вызвать громкий и продолжительный эффект с помощью простого сообщения, отправленного по электронной почте. Его предыдущим корреспондентом был Линус Торвальдс, а их переписка о монолитном и микро ядре вошла в анналы истории ИТ. Без этого трудно понять, почему Эндрю Таненбаум так экзальтирован из-за мнимого успеха Миникс, которая всего лишь в течении десятка лет обеспечивала работу интеловского бэкдора IME .

    Рождение Linux и критика монолитного ядра

    26 лет назад программирования для Unix было нетривиальным делом для обычного студента, так как все разновидности Unix были платными. Чтобы освоить эту операционную систему Линус решает поставить Minix. Интернет в ту пору еще только зарождался, заказ ОС шел через обычную почту, так же как и доставка. Ради Minix пришлось раскошелиться на 169 долларов.


    У меня возникло множество претензий к Minix. Хуже всего была эмуляция терминала, очень важная для меня программа, потому что именно ее я использовал для подключения к университетскому компьютеру. Я зависел от этой эмуляции каждый раз, когда связывался с университетским компьютером, чтобы поработать с мощной Unix-системой или просто выйти в онлайн.

    Вскоре будущий создатель Linux обнаружил серьезные недостатки Minix. Так как это был всего лишь обучающий вариант Unix, то профессор преднамеренно исковеркал ее. Многие из этих недостатков можно было устранить заплаткой самого известного хакера Minix Брюса Эванса, но для того, чтобы ее поставить нужно было изрядно провозиться. Самым же существенным недостатком для Линуса была программа эмуляции терминала, которую пришлось заменить на свою собственную. Затем понадобился драйвер файловой системы и понеслось, ядро новой ОС зародилось по принципу каши из топора.


    25 августа 1991 г. Линус отправляет свое знаменитое сообщение о том, что работает над бесплатной операционной системой, но это будет не такой крупный и профессиональный проект как GNU . Помимо всего прочего внимание заслуживает тот факт, что этот и другие ранние анонсы свое операционной системы Линус отправляет в конференцию Minix, оттягивая на себя пользователей последней.


    Эндрю Таненбаум до поры до времени никак на это не реагировал, но Linux рос как снежный ком. Уже в январе 1992 г. вышла версия 0.12, в котором была реализована страничная подкачка на диск - то чего не было в Minix. Вскоре после этого профессор снизошел до выскочки, чтобы лично ему ответить и вот 29-го января Линус получает сообщение в конференцию comp.os.minix с нравоучительным содержанием. Начало было обнадеживающим.


    From: [email protected] (Andy Tanenbaum)
    То: Newsgroups: comp.os.minix
    Subject: LINUX устарела
    Date: 29 Jan 92 12:12:50 GMT
    Я тут на пару недель уезжал в США, поэтому не писал особенно о LINUX (не то чтобы я стал писать, если бы и был здесь). Однако теперь хочу сделать несколько замечаний.
    Как большинство из вас знает, для меня MINIX – хобби, которым я занимаюсь по вечерам, когда мне надоедает писать книжки, а по CNN не показывают никаких войн, революций или парламентских слушаний. Моя основная работа – преподавание и исследования в области операционных систем.

    Далее следовали справочные сведения о монолитном ядре, микроядре и об ОС, исповедующих тот, или иной принцип. Затем следовал несостоятельный с точки зрения логики довод о том, что среди специалистов по разработке операционных систем споры по данному вопросы уже прекратились ввиду явного преимущества микроядра. Дальше декларации о том, что Minix прогрессивна, а Linux - возврат в 1970-е. Кроме того, Linux привязан к одной архитектуре в то время как Minix был перенесен с Intel процессоров на другие платформы: Atari, Amiga, Macintosh, SPARC и NS32016.


    Я мог бы многое рассказать о сравнительных преимуществах этих двух подходов, но достаточно сказать, что среди специалистов по разработке операционных систем споры уже закончились. Микроядро победило. Minix – система с микроядром. Файловая система и управление памятью – это отдельные процессы, которые работают вне ядра. Ввод-вывод тоже выполняется отдельно. LINUX – монолитная система. Это большой шаг назад, в 70-е. годы .


    В начале 90-х микроядро действительно было в фаворе у проектировщиков операционных систем. По их мнению ядро ОС должно быть минимальным и содержать лишь самое необходимое: управление памятью, планировщик и IPC, а все остальное реализуется в виде сервисов. Разбив целое на множество простых частей, сложность исчезает, а легковесные сервисы без труда обмениваются данными с микроядром. Сбой в драйвере файловой системы или сетевой карты, таким образом элементарно восстанавливался перезагрузкой соответствующего сервиса.

    Линус принимает вызов

    Линус придерживался другого мнения на сей счет. Отдавая должное элегантности и изяществу архитектуры микроядра с теоретической точки зрения, он тем не менее считал микроядро не пригодным для практических целей. Мнимая простота микроядра оборачивается тем, что взаимодействие и интерфейс между простыми частями микроядра создает сложности, которые нивелируют все ее «бумажные» преимущества. В своем ответе он изложил свое видение по данному вопросу. После дерзких выпадов против своего оппонента Линус переходит к сути.


    From: [email protected] (Linus Benedict Torvalds)
    Subject: Re: LINUX устарела
    Date: 29 Jan 92 23:14:26 GMT
    Organization: University of Helsinki
    ...
    Да, linux – монолитная система, и я согласен, что микроядро лучше. Если бы у вашего сообщения не был такой спорный заголовок, я бы, вероятно, согласился с большинством ваших высказываний. С теоретической (и эстетической) точки зрения linux проигрывает. Если бы ядро GNU было готово прошлой весной, я бы и не взялся за свою разработку: беда в том, что оно не было готово тогда и не готово до сих пор. Linux выигрывает прежде всего потому, что она уже готова.

    Затем перечисляет проблемы Minix с многозадачностью в файловой системе.


    Если бы это было единственным критерием качества ядра, вы были бы правы. Однако вы не пишете о том, что микроядро в minix сделано плохо и возникают проблемы с многозадачностью (в ядре). Если бы я сделал ОС, у файловой системы которой были бы проблемы с многозадачностью, я бы не стал так поспешно осуждать других: наоборот, я бы из кожи вон лез, чтобы все забыли о моем провале. Да, я знаю, что для minix есть масса заплаток, обеспечивающих многопоточную работу, но это лишь заплатки, и Брюс Эванс говорит, что все равно остается множество проблем синхронизации.

    Перепалка в конференции продолжается, в спор вступают новые участники. Эндрю Таненбаум и Линус Торвальдсь продолжают спор, но уже более в более сдержанной манере. Ниже вольный перевод избранных цитат.


    Эндрю Танебаум : Я нарочно написал Minix таким корявым, чтобы студенты могли гонять его на разнообразном и недорогом компьютерном железе, но дизайн у моей ОС норм., а не то что твой отсталый Linux. Его к тому же невозможно переносить на другие платформы. Я бы тебе на экзамене поставил пару.

    David Feustel : Ничего страшного, и у Эйнштейна были плохие отметки по математике и физике .

    Ken Thompson : Пользователям до лампочки современное ли ПО у них на компьютере, производительность гораздо важнее. Да, будущее за микроядром, однако монолитное ядро проще состряпать. Впрочем, его и запороть проще, если писать код на скорую руку.

    Randy Burns : Системные вызовы Linux совместимы с переносимыми ОС, так что жалобы на привязку к одной платформе неуместны. Наоборот, Linux закрывает брешь, позволяя нам использовать програмы GNU . Может быть через пару лет, когда Hurd и недорогие BSD системы получат распространение Linux и устареет, но сейчас мы можем наслаждаться gcc, bash, bison за бесценок и писать код для лучшей ОС .

    Pete French : А разве микроядро и монолитное ядро не являются артефактами языка программирования, на котором написаны. В чем разница между микроядром, написанным на C и монолитным ядром - на OCCAM?

    Линус Торвальдс : Ты старался так ради студентов, ну тогда понятно. Но с многозадачностью в твоей ОС все равно беда, как ни крути, а на моем «отсталом» монолитном Linux все летает. С переносимостью больших проблем не будет, так как Linux API переносимо - были бы желающие. А хорошие оценки мне и так не светят, я тут недавно с другим преподавателем архитектуры ОС повздорил.

    Lawrence C. Foard : Теоретики такие теоретики. У них прекрасные идеи, но никто их них не удосужился их проверить на деле. Интелосвкие 32-битные процессоры уже почти 10 лет как доступны на рынке, но никто кроме Линуса не написал для них ОС , которую можно пощупать, без необходимости покупать Unix AT&T за 100,000$. Готовая ОС стоит десятка бумажных. Я уже сегодня могу писать код для Linux и экспериментировать как мне вздумается.

    peter da silva : Прекрасно, что Linux существует и монолитное ядро - одна из причин того, что он был создан так быстро. Это мощный аргумент в пользу монолитного ядра и однако это не значит, что микроядро обязательно должно быть медленным, или что оно «бумажное».

    Аргументы в пользу микроядра в то время действительно перевешивали, но на сегодняшний день опыт использования обоих принципов построения ОС

    Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу по­строения операционной системы.

    Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть ОС, называемая микроядром (рис.14). Микроядро защищено от остальных частей ОС и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все!) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

    Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский режим, не существует.

    В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра - файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п., - становятся "периферийными" модулями, работающими в пользовательском режиме .

    Работающие в пользовательском режиме менеджеры ресурсов имеют принципиальные отличия от традиционных утилит и обрабатывающих программ операционной системы, хотя при микроядерной архитектуре все эти программные компоненты также оформлены в виде приложений. Утилиты и обрабатывающие программы вызываются в основном пользователями. Ситуации, когда одному приложению требуется выполнение функции (процедуры) другого приложения возникают крайне редко.

    Поэтому в операционных системах с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение могло бы вызвать функции другого.

    Совсем другая ситуация возникает, когда в форме приложения оформляется часть операционной системы. По определению, основным назначением такого приложения является обслуживание запросов других приложений, например создание процесса, выделение памяти, проверка прав доступа к ресурсу и т. д.

    Именно по­этому менеджеры ресурсов, вынесенные в пользовательский режим, называются серверами ОС, т.е. модулями, основным назначением которых является об­служивание запросов локальных приложений и других модулей ОС. Очевидно, что для реализации микроядерной архитектуры необходимым условием являет­ся наличие в операционной системе удобного и эффективного способа вызова процедур одного процесса из другого. Поддержка такого механизма и является одной из главных задач микроядра.


    Схематично механизм обращения к функциям ОС, оформленным в виде серве­ров, выглядит следующим образом (рис.15).

    Клиент, которым может быть либо прикладная программа, либо другой компонент ОС, 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 к адресным пространст­вам каждого из этих приложений и поэтому может работать в качестве посред­ника . Микроядро сначала передает сообщение, содержащее имя и параметры вызываемой процедуры нужному серверу, затем сервер выполняет запрошенную операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения.