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.
