Понятие микроядра

Микроядро реализует  базовые функции операционной системы, на которые опираются другие системные службы и приложения. Основной проблемой при конструировании микроядерной ОС является распознавание тех функций системы, которые могут быть вынесены из ядра. Такие важные компоненты ОС как файловые системы, системы управления окнами и службы безопасности становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с другом.

Когда-то казалось, что многоуровневая архитектура  ядра ОС UNIX является вершиной в области  конструирования операционных систем. Основные функциональные компоненты операционной системы - файловая система, взаимодействие процессов (IPC - interprocess communications), ввод-вывод и управление устройствами - были разделены на уровни, каждый из которых мог взаимодействовать только с непосредственно примыкающим к нему уровнем.

Несмотря на неплохие практические результаты такая  структура теперь все больше воспринимается монолитной, поскольку вся операционная система связана иерархией уровней. Множественность и нечеткость интерфейсов между уровнями затрудняет модификацию системы; для этого требуется хорошее знание операционной системы, масса времени и элемент везения.

В микроядерных архитектурах вертикальное распределение  функций операционной системы заменяется на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, используют средства микроядра для обмена сообщениями, но взаимодействуют непосредственно. Микроядро лишь проверяет законность сообщений, пересылает их между компонентами и обеспечивает доступ к аппаратуре.

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). Однако пересылка сообщений производится медленнее обычных вызовов функций; оптимизация пересылки сообщений является критическим фактором успеха микроядерной операционной системы. Например, в ОС Windows NT в некоторых случаях для оптимизации используется разделяемая память. Расходы на дополнительную фиксированную память микроядра оправдываются повышением эффективности передачи сообщений.

Поскольку вся машинно-зависимая часть ОС изолирована в микроядре, для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и эти изменения логически сгруппированы. При имеющемся разнообразии на рынке процессоров способность операционной системы работать на разных процессорах является единственной возможностью убедить пользователей покупать новые машины.

Расширяемость также является необходимым свойством  современных операционных систем. В отличие от аппаратных средств, которые устаревают за несколько лет, операционные системы могут с пользой эксплуатироваться в течение десятилетий. В жизни каждой операционной системы настает момент, когда в нее требуется внести функции, не заложенные в исходную конструкцию. Микроядерная организация операционных систем позволяет добиться возможности производства управляемых и надежно работающих расширений на основе ограниченного набора четко определенных интерфейсов микроядра.

В действительности, правильнее говорить не только о расширяемости, но и о масштабируемости микроядерных ОС с возможностью получения варианта операционной системы, в наилучшей степени соответствующей особенностям аппаратной платформы и прикладной области. Микроядерная организация ОС позволяет легко добиться и этого качества.

Одной из проблем  традиционно организованных операционных систем является наличие множества интерфейсов прикладного программирования (API - Application Programming Interface), не все из которых хорошо документированы. В результате невозможно гарантировать правильность программ, использующих несколько API, и даже правильность работы самой операционной системы.

Микроядро, обладающее небольшим набором API (микроядро OSF обеспечивает около 200 системных вызовов, а крохотное микроядро QNS - всего лишь 14), увеличивает шансы получения качественных программ. Конечно, этот компактный интерфейс облегчает жизнь только системных программистов; прикладной программист по прежнему должен бороться с сотнями вызовов.

Основным принципом  организации микроядерных ОС является включение в состав микроядра только тех функций, которые абсолютно необходимо выполнять в режиме супервизора и в защищенной памяти. Обычно в микроядро включаются машинно-зависимые программы (включая поддержку мультипроцессорной работы), некоторые функции управления процессами, обработка прерываний и поддержка пересылки сообщений.

Во многих случаях  в микроядро включается функция  планирования процессов, но в реализации Mach компании IBM планировщик процессов  размещен вне микроядра, а микроядро  используется только для непосредственного управления процессами. Конечно, при этом требуется тесное взаимодействие внешнего планировщика и входящего в состав ядра диспетчера.

В некоторых  реализациях (например, в реализации OSF) в микроядро помещаются драйверы устройств. В реализациях IBM и Chorus драйверы размещаются вне микроядра, но для регулирования режимов разрешения и запрещения прерываний часть программы драйвера выполняется в пространстве ядра. В NT драйверы устройств и другие функции ввода-вывода выполняются в пространстве ядра, но реально используют ядро только для перехвата и передачи прерываний. Следует заметить, что оба подхода допускают динамическое подключение драйверов к системе и их отключение.

Однако имеются  другие доводы в пользу выделения  драйверов из состава микроядра. Например, поскольку во многих случаях драйверы могут не зависеть от особенностей аппаратуры, такой подход облегчает переносимость системы.

Микроядро Mach университета Карнеги-Меллон

В разрабатывавшейся  компанией IBM ОС Workplace (теперь она отказалась от завершения этой ОС) использовалось микроядро Mach 3.0, расширенное в кооперации с OSF средствами поддержки параллельной обработки и реального времени. Микроядро заведовало функциями взаимодействия процессов, управления виртуальной памятью, управления процессами и нитями (threads), управления процессорами (включая мультипроцессорные системы), а также управления вводом-выводом и обработки прерываний. Файловая система, планировщик процессов, сетевые службы и система безопасности вынесены из микроядра. В IBM эти компоненты называют PNS (Personally Neutral Services), поскольку они используются во всех эмуляторах операционных систем.

Управление процессами и нитями в Workplace являлись функцией ядра. Но на самом деле в ядре был расположен только диспетчер процессов. Планировщик, ведающий приоритетами, определяющий порядок выполнения и заказывающий диспетчеризацию процессов и нитей, функционировал вне ядра.

Управление памятью  также распределялось между микроядром и PNS. Ядро управляло аппаратурой  страничной памяти. Подсистема управления страничной памятью, работающая вне ядра, определяла стратегию замещения страниц. Подобно планировщику эта подсистема являлась заменяемым компонентом.

На уровне PNS могут располагаться не только такие  внутренние подсистемы, как файловая система и драйверы устройств, но и сетевые службы и даже системы управления базами данных. По мнению IBM, размещение подобных служб в непосредственной близости от микроядра позволит повысить их эффективность за счет сокращения числа вызовов функций и возможности использовать собственные драйверы устройств.

OSF ориентируется  на массивно параллельные аппаратные  системы. Активно изучаются вопросы изменения поведения операционной системы при возрастании числа процессоров. В такой системе микроядро Mach будет работать на всех процессорах, а сервер OSF/1 потребуется только на некоторых из них.

Как планирует OSF, в будущих версиях OSF/1 на основе Mach будет поддерживаться возможность размещения сервера OSF/1 в пространстве ядра или в пользовательском пространстве в соответствии с выбором системного администратора при конфигурировании системы. Выполнение сервера OSF/1 в пространстве ядра позволит повысить производительность, так как вместо передачи сообщений будут использоваться вызовы процедур, и сервер всегда будет целиком располагаться в памяти. При выполнении сервера в пользовательском пространстве будет возможен его свопинг, что потенциально увеличит память, доступную для программ пользователя. Заметим, что примерно такой же подход используется USL в версиях UNIX, основанных на микроядре Chorus. Системные функции будут разработаны и отлажены в пользовательском пространстве, а потом можно будет перенести в пространство ядра для достижения наилучшей производительности.

Микроядро Chorus компании Chorus Systems

Микроядро Chorus во многих отношениях походит на реализации Mach, выполненные IBM и OSF. Chorus включает поддержку распределенных процессоров, нескольких распределенных серверов операционной системы (во многом похожую на комбинацию Mach-OSF/1), управления памятью и обработки прерываний. Поддерживается также прозрачное взаимодействие с другими экземплярами микроядра Chorus, что делает Chorus хорошей основой для сильно распределенных систем.

Драйверы устройств  не включаются в ядро. Аналогично подходу IBM, драйверы получают доступ к аппаратуре через ядро. Это дает возможность компоненту более высокого уровня - менеджеру устройств, отслеживать работу драйверов, функционирующих в разных узлах распределенной системы.

Примеры микроядерных реализаций ОС UNIX

Коротко охарактеризуем некоторые варианты ОС UNIX, построенные  на основе технологии микроядра.

OSF-1 компании Open Software Foundation

ОС OSF/1 1.3 основана на микроядре Mach. IBM является членом OSF, и эти компании обменивались технологиями организации микроядра. Однако по некоторым важным направлениям подходы IBM и OSF различаются. В версии 1.3 весь сервер OSF/1 работает в пользовательском пространстве и использует функции Mach.

Почему же OSF решилась на микроядерную реализацию монолитного сервера UNIX? Как говорят  специалисты, OSF, OSF/1 является слишком  хорошей и надежной системой, чтобы можно было ее бросить и начать все сначала. В OSF/1 1.3 используется более 90% кода предыдущих версий OSF/1. С другой стороны, чтобы улучшить возможности управления объектами, часть ядра Mach была переписана на Си++.

В результате OSF/1 1.3 получилась не такой модульной, как  ОС Workplace. Но использовав значительную часть OSF/1, компания OSF смогла раньше IBM получить более или менее полную микроядерную реализацию системы.

MiX компании Chorus Systems

Существует несколько  реализаций микроядра Chorus. Chorus/MiX, версия компании Chorus операционной системы с интерфейсами UNIX, включает отдельные версии, совместимые с SVR3.2 и SVR4. USL собирается объявить Chorus/MiX V.4 микроядерной реализацией SVR4. USL и Chorus Systems планируют совместную работу по разработке Chorus/MiX V.4 в качестве будущего направления UNIX. Специально для использования на персональных компьютерах компания Chorus поддерживает реализацию Chorus/MiX, совместимую с SCO.

Hurd Free Software Foundation

Операционная  система Hurd на протяжении последних  нескольких лет разрабатывается в Фонде свободного программного обеспечения (Free Software Foundation). По своему замыслу ОС Hurd должна была явиться последней точкой в реализации проекта GNU - проекта полной свободно распространяемой совместимой с ОС UNIX среды.

В числе основных разработчиков FSF исторически не было специалистов по внутренней организации операционных систем. В частности, поэтому при реализации Hurd был выбран подход, основанный на предоставленной университетом Карнеги-Меллон версии микроядра Mach, а также использовании готовой файловой системы из Висконсинского университета. Над микроядром в пользовательском режиме дописан набор серверов, которые, однако, в отличие от OSF1 и MiX, не реализуют напрямую возможностей системных вызовов UNIX. Реализация аналога системных вызовов выполнена в виде набора библиотечных подпрограмм, выполняемых в адресных пространствах пользовательских процессов.

ОС Hurd еще не выпущена в свет, хотя уже более  года назад в ее среде работал shell, emacs, GCC и другие компоненты программного обеспечения GNU. Кроме того, пока Hurd будет доступен только на платформах Intel.