Микроядерные операционные среды

Разделение функций

Основным принципом организации микроядерных ОС является включение в состав микроядра только тех функций, которым 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.

Mach и IBM

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 возможно использовать собственные драйверы устройств.

Mach и OSF/1

ОС OSF/1 1.3 также 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 систему. 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 свопинга, 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.

AT&T и Chorus

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. 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. 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.

Новые микроядерные системы.

Операционная системы SpringOS фирмы Sun, которая пока находится в стадии проектирования и разработки, основывается на микроядре и объектах. Вероятно, в SpringOS будет использоваться значительный объем существующих программ Solaris подобно тому, как в OSF/1 используется существующий сервер OSF/1. Компания Sun не объявляла об использовании какого-либо существующего микроядра и, по-видимому использует собственную разработку.

Зрелые микроядра.

QNX и CTOS - это две зрелые микроядерные операционные системы, поставляемые на протяжении нескольких лет. 8-килобайтное микроядро QNX поддерживает только планирование и диспетчеризацию процессов, взаимодействие процессов, обработку прерываний и сетевые службы нижнего уровня. Это микроядро обеспечивает всего лишь 14 системных вызовов. Микроядро QNX может быть целиком размещено во внутреннем кэше некоторых процессоров, таких как Intel 486. Чтобы построить минимальную систему QNX, требуется добавить к микроядру менеджер процессов, который создает и управляет процессами и памятью процессов. Чтобы ОС QNX была применима не только во встроенных и бездисковых системах, нужно добавить файловую систему и менеджер устройств. Эти менеджеры исполняются вне пространства ядра, так что ядро остается небольшим. По утверждениям специалистов компании QNX Software заявляет, что подобная система, основанная на передаче сообщений, имеет производительность, по меньшей мере сравнимую с производительностью других традиционных операционных систем. CTOS, появившаяся в 1980 году, была написана для рабочих станций фирмы Convergent Technologies - семейства машин на основе процессоров Intel для работы в "кластерных сетях", соединенных по обычным телефонным проводам. Продаваемые в настоящее время фирмой Unisys, эти основанные на CTOS машины продемонстрировали преимущества распределенных вычислений на основе передачи сообщений задолго до того, как этот термин стал модным. Крохотное 4-килобайтное микроядро CTOS взяло на себя только планирование и диспетчеризацию процессов и взаимодействие процессов на основе сообщений. Все другие системные службы взаимодействуют с ядром и друг с другом через четко определенные интерфейсы сообщений. Сетевые средства входят в состав CTOS и являются действительно прозрачными для прикладных программ, которым не требуется знать, будет ли обработан запрос на обслуживание локально или удаленно. В любом случае сообщения передает одна и та же система взаимодействия процессов.