Лекция 2

Тенденции в структурном построении операционных систем

Монолитные системы

В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры. ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая вольна вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра UNIX или Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа).

Однако даже такие монолитные системы могут быть немного структурированными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, параметры помещаются в строго определенные места, такие, как регистры или стек, а затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого ОС индексирует таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру. Такая организация ОС предполагает следующую структуру:

а) главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры;

б) набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

В) набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Многоуровневые системы

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Первой системой, построенной таким образом была простая пакетная система THE, которую построил Дейкстра и его студенты в 1968 году. Система имела 6 уровней. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы по прерыванию или по истечении времени. Уровень 1 управлял памятью - распределял оперативную память и пространство на магнитном барабане для тех частей процессов (страниц), для которых не было места в ОП, то есть слой 1 выполнял функции виртуальной памяти. Слой 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. С помощью этого уровня каждый процесс имел свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них. С помощью уровня 3 каждый процесс вместо того, чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, обращался к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

В системе THE многоуровневая схема служила, в основном, целям разработки, так как все части системы компоновались затем в общий объектный модуль.

Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в ОС MULTICS. В системе MULTICS каждый уровень (называемый кольцом) является более привилегированным, чем вышележащий. Когда процедура верхнего уровня хочет вызвать процедуру нижележащего, она должна выполнить соответствующий системный вызов, то есть команду TRAP (прерывание), параметры которой тщательно проверяются перед тем, как выполняется вызов. Хотя ОС в MULTICS является частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивает защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая, например, доступ к одним сегментам только для записи, а к другим - для чтения или выполнения. Преимущество подхода MULTICS заключается в том, что он может быть расширен и на структуру пользовательских подсистем. Например, профессор может написать программу для тестирования и оценки студенческих программ и запустить эту программу на уровне n, в то время как студенческие программы будут работать на уровне n+1, так что они не смогут изменить свои оценки.

Многоуровневый подход был также использован при реализации различных вариантов ОС UNIX.

Хотя такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше воспринимается монолитным. В системах, имеющих многоуровневую структуру было нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями.

В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры (рисунок 3). ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс, и каждая может вызвать любую другую при необходимости.

Монолитная ОС собирается из программных модулей и затем компилируется как единая система. И хотя как программа такая СОС может и быть модульной, на практике взаимодействие ее процедур происходит в единой области видимости и любая процедура может вызвать любую.

1. Многоуровневые системы

При структуризации от монолитных систем переходят к многоуровневым. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням (рисунок 4).

Хотя такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше воспринимается монолитным, старые ОС UNIXс многоуровневой структурой сейчас характеризуются как ОС с монолитными ядрами. В системах, имеющих многоуровневую структуру было нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требовало хорошего знания операционной системы и массы времени. Когда стало ясно, что операционные системы живут долго и должны иметь возможности развития и расширения, монолитный подход сменился моделью клиент-сервер с тесно связанной с ней концепция микроядра.

1. Модель клиент-сервер и микроядра

Применительно к структурированию ОС идея использования взаимодействия клиент-сервер и микроядра состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций - например, управление памятью, управление файловой системой. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения (рисунок 5).

Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микроядро, взаимодействуют друг с другом непосредственно. Это свойство микроядерных систем позволяет естественно использовать их в распределенных средах. При получении сообщения микроядро может его обработать или переслать другому процессу. Поскольку для микроядра безразлично, поступило ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является удобной основой удаленных вызовов процедур (RPC - remote procedure calls). Микроядро занимается основной функцией ОС – управлением ресурсами, зачастую оно берет на себя функции взаимодействия с аппаратурой, хотя предпочтительно в рамках микроядра выделять машиннозависимый функции в отдельные подмодули для улучшения переносимости. Различные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре ОС могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра. На одном краю этого спектра находится разрабатываемая фирмой IBM на основе микроядра Mach операционная система Workplace OS, придерживающаяся чистой микроядерной доктрины, состоящей в том, что все несущественные функции ОС должны выполняться не в режиме ядра, а в непривилегированном (пользовательском) режиме. На другом - Windows NT, в составе которой имеется исполняющая система (NT executive), работающая в режиме ядра и выполняющая функции обеспечения безопасности, ввода-вывода и другие.

Микроядерный подход при проектировании архитектуры ОС требует ответа на вопрос, какие функции ОС следует оставить в ядре, а какие вынести из него. Модули, содержащиеся в ядре, нельзя заменить без его перекомпиляции. Причем если само микроядро является плохо структурированным, то замена одного его модуля на другой (например замена планировщика задач) может стать очень трудной задачей. С другой стороны хотя вынос за пределы ядра не основных и динамически изменяемых функций хотя и делает ОС хорошо масштабируемой и более надежной (ядро обычно выступает как единый домен сбоев, в то время как гибель внешнего сервера ОС может пережить безболезненно), это сказывается на ее производительности.

В состав микроядра обычно не включают сетевые функции, пользовательский интерфейс, файловую систему, а лишь основные функции управления???

В общем виде операционная система монолитного типа представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызывать другие. Процедуры ОС компилируются, а затем компонуются в единый объектный файл, специального формата, отличающегося от пользовательских приложений.

Однако, организация механизма реализации системных вызовов в такой ОС предполагает всё таки следующую структуру:

1. Главная программа, которая осуществляет обработку системных прерываний;

2. Набор служебных процедур, реализующие системные вызовы;

3. Набор утилит, обслуживающие служебные процедуры.

В ОС программа, которая инициирует и прекращает процессы обработки системных прерываний называется супервизором (supervisor). Спервизор - управляющая резидентная программа в составе операционной системы, координирующая распределение и использование ресурсов вычислительной системы.

В операционной системе может быть несколько супервизоров. Например, С. ввода-вывода контролирует состояние средств ввода-вывода, инициирует и прекращает процессы ввода-вывода. С. основной памяти осуществляет учет и динамическое распределение области оперативной памяти, в которую загружаются программы пользователей и некоторые системные программы. С. страниц организует страничный обмен виртуальной памяти.

В современных ВС в основном речь идёт о модульных ОС с монолитным ядром и в качестве примеров приводятся большинство UNIX-систем Linux; реализуемых на традиционных ядрах, ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

В качестве примера монолитной ОС можно привести ОС MS-DOS, в качестве ядра можно рассматривать два модуля msdos.sys Базовый модуль DOS, файл MSDOS.SYS и io.sys, Модуль расширения BIOS, к ним с системными вызовами обращались командный интерпретатор command.com, системные утилиты и приложения.

Недостатки:

1. Монолитные ядра требуют перекомпиляции при любом изменении состава оборудования.

2. «Разбухание» кода монолитных ядер делает их малопригодными для систем, ограниченных по объёму ОЗУ, например, встраиваемых системах, микроконтроллерах и т. д.

Альтернативой монолитным ядрам считаются архитектуры, основанные на микроядрах.

Альтернативой монолитным ОС выступает архитектура модульной ОС.

Модульные ОС структурно состоят из модулей, каждый из которых реализует определённый набор функций. Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

1. Ядро - модули, выполняющие основные функции ОС;

2. Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции как управление процессами, памятью, устройствами ввода вывода, обработка прерываний.

Вспомогательные модули как правило подразделяются на следующие:

· утилиты – программы, решающие задачи сопровождения ВС (сжатие дисков, архивация);

· системные обрабатывающие программы (редакторы, отладчики, компиляторы и пр.)

· программные модули, обеспечивающие графический пользовательский интерфейс.

· библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений (библиотека математических функций, функций ввода-вывода).

Как и обычные пользовательские приложения, для выполнения своих задач вспомогательные модули, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов. Вспомогательные модули являются транзитными загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций. Такая организация ОС экономит оперативную память компьютера.

Модульное ядро - современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем компьютеров.

Модульность реализуется за счёт механизма подгрузки модулей поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом не требуются полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера.

Востребованность сборных перекрытий в частном и жилом строительстве объясняется возможностью их самостоятельного монтажа при минимальном задействовании подъемной техники. Готовые системы, включающие надежные балки и легкмие и теплые прогоны и блоки, заливаемые впоследствии монолитной стяжкой бетона, представлены такими известными брендами как Ytong, Teriva и Марко.

Виды и особенности конструкций

Стандартная схема сборно-монолитного перекрытия включает железобетонные или стальные балки, используемые в качестве основных несущих элементов и выбираемых в зависимости от длины пролета, пустотные или пористые блоки-вкладыши, выполняющие роль несъемной опалубки и облегчающие вес системы, и армированный слой бетона толщиной до 50 мм. Эта строительная технология стала применяться относительно недавно, одновременно с ростом популярности домов из газосиликата и пеноблоков. Характерные параметры: высокие несущие способности (в ряде случаев – не уступающие , верхний предел составляет 1300 кг/м2), низкий вес и хорошие тепло- и звукоизолирующие свойства.

В зависимости от материала основы такие конструкции разделяются на полистиролбетонные, газосиликатные и керамзитобетонные, в ряде случаев используются обычный вибропрессованный бетон. Все перечисленные разновидности блоков пригодны к ручной укладке, потребность в крановом оборудовании иногда возникает при монтаже особо длинных балок, чаще всего их просто поднимают наверх и устанавливают силами 2-3 человек (ориентировочный вес 1 м.п. ж/б опоры составляет 14 кг). На шаг влияют габариты форм-вкладышей, в среднем он равняется 60 см, из-за этого сборно-монолитные системы называют часторебристыми.

К преимуществам и особенностям данного типа перекрытий также относят:

• Низкий вес: 1 м2 в высохшем состоянии весит не более 370 кг. Это помогает снизить нагрузку на фундамент и стены в сравнении с монолитными плитами на 25 % как минимум.
• Обеспечение хорошего уровня защиты от шума и теплопотерь, характеристики позволяют использовать эти сборные конструкции для разделения разнотемпературных зон.
• Возможность установки на труднодоступных участках и на стенах со сложными выступами и эркерами, обработки элементов непосредственно на стройплощадке.
• Герметичность: заливаемый бетонный раствор заполняет все щели между балками и блоками.
• Отсутствие потребности по втором слое стяжки, перекрытия пригодны к незамедлительному монтажу напольных стройматериалов.
• Использование внутренних пустот (в наличии не у всех видов) для прокладки коммуникаций.

По аналогии с вариантами, собираемыми из многопустотных ж/б плит стандартного размера, сборно-монолитная разновидность представляет собой систему на основе унифицированных элементов, характеристики у разных производителей отличаются. К наиболее востребованным брендам относят:

1. Итонг, представленные системами с ж/б продольными балками и опирающимися на них Т-образными газобетонными блоками и стальными с вкладкой обычных прямоугольных изделий стандартного размера. По простоте монтажа и надежности лидирует первый вариант, по стоимости – с незначительным отрывом второй. Системы Ytong обеспечивают несущую способность не менее 450 кг/м2 при удельном весе не более 50 кг/м2, максимальная длина составляет 9 м.

2. Облегченные конструкции Марко с треугольным решетчатым каркасом и блоками-вкладышами из полистирол- или керамзитобетона. Могут иметь полностью скрытую арматуру или с выступающими прутьями для закладки в стены. Высота опор – на выбор 15 или 20 см, максимальная длина достигает 12 м. Отличительной чертой является возможность установки доборных элементов по всей плоскости с целью увеличения несущих способностей до 1000 кг/м3. Итоговая толщина при этом составляет 200, 250, 300 или 350 мм.

3. Польские Teriva – до 24 см в высоту, с весом от 180 до 260 кг/м3 (без учета заливаемой стяжки) и несущими способностями в пределах 400-900 кг/м2. Они без проблем поднимаются и собираются вручную, прочностные характеристики позволяют использовать их при строительстве жилых и общественных домов без ограничений этажности.

Схема монтажа, нюансы технологии

Сборно-монолитная система перекрытий укладывается на армопояс или устойчивые кирпичные или бетонные стены с заходом на эти конструкции не менее 20 мм. На этапе подготовки основание очищается от мусора и при необходимости выравнивается. Дальнейшая установка проводится в следующей последовательности:

1. Формирование каркаса путем размещения балок с заданным шагом с обязательным закреплением на цементный состав и размещением временных деревянных подпор. Их число зависит от длины пролета: на конструкции в пределах 4,5 м требуется одна подкладка, до 6 – не менее 2, свыше 6 – от 3. Рекомендуемая толщина фиксируемого раствора – около 10 мм.

2. Монтаж основы – укладка блоков на балки сборно-монолитного часторебристого перекрытия. Они являются поперечными, их размещают равномерно с минимальными зазорами между соседними изделиями. Для упрощения установки их поднимают с рабочих помостов, расположенных на 50-60 см ниже балок или перпендикулярно им сверху. В процессе избегают подпирания элементов вертикальными опорами и хождения по собранной системе.

3. Укрепление венцов, при необходимости – закладка распределительного и перегородочных ребер. Первое располагаются поперек основных балок, вторые – параллельно им.

4. Закладка армосетки из металлических прутьев толщиной от 5 мм, связанных между собой с помощью проволоки или сварных заготовок с обязательным нахлестом не менее 15 см с аналогичным способом соединения.

5. Приготовление и заливка мелкофракционной бетонной смеси с классом прочности не менее В20. Максимальной размер частиц наполнителя ограничен 10 мм, раствор должен быть пластичным. На этом этапе избегают перегрузки или деформации блоков в процессе распределения бетона, тележки двигают по размещенному сверху дощатому настилу. Он завершается выравниванием и уплотнением состава, для исключения растрескивания стяжки обеспечивается соответствующий влажностной уход, продолжающийся не менее 3 дней.

6. Снятие временных боковых подпорок: не ранее чем через 72 ч, по правилам – при достижении бетоном 80% своей марочной прочности. Помимо обеспечения влажной среды на начальном этапе гидратации к важным требованиям технологии относят поддержку температуры окружающего воздуха от +10 °C и выше, при падении ее до +5 подпорки не убирают стандартные 28 суток.

Завершающая стадия во многом совпадает с заливкой монолитной плиты, для улучшения прочностных характеристик и обеспечения гладкой поверхности рекомендуется использовать вибратор. В целом процесс считается менее трудоемким. Итоговые затраты зависят от изготовителя, цена 1 м2 варьируется от 3500 до 4600 рублей.

Стоимость готовых систем и отдельных элементов