2.2. Ядро и привилегированный режим
Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу ОС и, например, разрушить часть ее кодов. Операционная система должна обладать исключительными полномочиями также для того, чтобы играть роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме. Ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать дополнительную область памяти, занимать процессор дольше разрешенного операционной системой периода времени, непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами.
Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode) или режимом супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения в пользовательском режиме.
Так как ядро выполняет все основные функции ОС, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме. Иногда это свойство работа в привилегированном режиме служит основным определением понятия «ядро».
Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых инструкций в пользовательском режиме запрещается безусловно (очевидно, что к таким инструкциям относится инструкция перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях. Важно, что условия разрешения выполнения критичных инструкций находятся под полным контролем ОС, и этот контроль обеспечивается за счет набора инструкций, безусловно запрещенных для пользовательского режима.
Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение инструкции доступа к памяти для приложения разрешается, если инструкция обращается к области памяти, отведенной данному приложению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что инструкции конфигурирования механизмов защиты памяти разрешается выполнять только в привилегированном режиме.
Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной системой не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от остальных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и операционную систему. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых ОС, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.
С другой стороны, если аппаратура поддерживает хотя бы два уровня привилегий, то ОС может на этой основе создать программным способом сколь угодно развитую систему защиты. На основе двух режимов привилегий процессора ОС может построить сложную систему индивидуальной защиты ресурсов, примером которой является типичная система защиты файлов и каталогов. Такая система позволяет задать для любого пользователя определенные права доступа к каждому из файлов и каталогов.
Отметим, что повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению переключение из привилегированного режима в пользовательский (рис. 2.1). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.
Работа приложений Пользовательский режим
Работа ядра Привилегированный режим
Работа ядра
Время переключения режимов
Рис. 2.1. Смена режимов при выполнении системного вызова к привилегированному ядру
Архитектура ОС, основанная на привилегированном ядре и приложениях пользовательского режима, стала, по существу, классической. Ее используют многие популярные операционные системы, в том числе многочисленные версии UNIX, VAX VMS, IBM OS/390, OS/2 и с определенными модификациями Windows NT.
В некоторых случаях разработчики ОС отступают от этого класси-ческого варианта архитектуры, организуя работу ядра и приложений в одном и том же режиме. Так, известная специализированная операционная система NetWare компании Novell использует привилегированный режим процессоров Intel x86/ Pentium как для работы ядра, так и для работы своих специализированных приложений – загружаемых модулей NLM. При таком построении ОС обращения приложений к ядру выполняются быстрее, так как нет переключения режимов, однако при этом отсутствует надежная аппаратная защита памяти, занимаемой модулями ОС, от некорректно работающего приложения. Разработчики NetWare пошли на такое потенциальное снижение надежности своей операционной системы, поскольку ограниченный набор ее специализированных приложений позволяет компенсировать этот архитектурный недостаток за счет тщательной отладки каждого приложения.
- Рецензенты:
- Ответственные за выпуск:
- Оглавление
- Введение
- 1. Назначение и функции операционной системы
- 1.1. Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера
- 1.1.1. Управление процессами
- 1.1.2. Управление памятью
- 1.1.3. Управление файлами и внешними устройствами
- 1.1.4. Защита данных и администрирование
- 1.1.5. Интерфейс прикладного программирования
- 1.1.6. Пользовательский интерфейс
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 1.2. Сетевые операционные системы
- 1.2.1. Сетевые и распределенные ос
- 1.2.2. Два значения термина «сетевая ос»
- 1.2.3. Функциональные компоненты сетевой ос
- 1.2.4. Сетевые службы и сетевые сервисы
- 1.2.5. Встроенные сетевые службы и сетевые оболочки
- 1.3. Требования к современным операционным системам
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 2. Архитектура операционной системы
- 2.1. Ядро и вспомогательные модули ос
- 2.2. Ядро и привилегированный режим
- 2.3. Многослойная структура ос
- 2.4. Аппаратная зависимость ос
- 2.5. Переносимость операционной системы
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 2.6. Микроядерная архитектура
- 2.6.1. Концепция
- 2.6.2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры
- 2.7. Совместимость и множественные прикладные среды
- 2.7.1. Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов
- 2.7.2. Трансляция библиотек
- 2.7.3. Способы реализации прикладных программных сред
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3. Процессы и потоки
- 3.1. Мультипрограммирование
- 3.1.1. Мультипрограммирование в системах пакетной обработки
- 3.1.2. Мультипрограммирование в системах разделения времени
- 3.1.3. Мультипрограммирование в системах реального времени
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3.2. Мультипроцессорная обработка
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3.3. Планирование процессов и потоков
- 3.4. Понятия «процесс» и «поток»
- 3.4.1. Создание процессов и потоков
- 3.4.2. Планирование и диспетчеризация потоков
- 3.4.3. Состояния потока
- 3.4.4. Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования
- 3.4.5. Алгоритмы планирования, основанные на квантовании
- 3.4.6. Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах
- 3.4.7. Смешанные алгоритмы планирования
- 3.5. Синхронизация процессов и потоков
- 3.5.1. Цели и средства синхронизации
- 3.5.2. Сигналы
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 4. Управление памятью
- 4.1. Функции операционной системы по управлению памятью
- 4.2. Типы адресов
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 4.3. Алгоритмы распределения памяти
- 4.3.1. Алгоритмы распределения без использования внешней памяти Распределение памяти динамическими разделами
- Распределение памяти перемещаемыми разделами
- 4.3.2. Алгоритмы распределения с использованием внешней памяти
- Свопинг и виртуальная память
- Страничное распределение
- Сегментное распределение
- Сегментно-страничное распределение
- Разделяемые сегменты памяти
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5. Ввод-вывод и файловая система
- 5.1. Задачи операционной системы по управлению файлами и устройствами
- 5.2. Специальные файлы
- 5.3. Логическая организация файловой системы
- 5.3.1. Цели и задачи файловой системы
- 5.3.2. Типы файлов
- 5.3.3. Иерархическая структура файловой системы
- 5.3.4. Имена файлов
- 5.3.5. Монтирование
- 5.3.6. Атрибуты файлов
- 5.3.7. Логическая организация файла
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.4. Физическая организация файловой системы
- 5.4.1. Диски, разделы, секторы, кластеры
- 5.4.2. Физическая организация и адресация файла
- 2048 Записей
- 5.5. Физическая организация fat
- Кластер № 17 – начальный кластер файла file1; кластер № 18 – начальный кластер файла file2
- 5.6. Физическая организация файловых систем s5 и ufs
- 5.7. Физическая организация файловой системы ntfs
- 5.7.1. Структура тома ntfs
- 5.7.2. Структура файлов ntfs
- 5.7.3. Каталоги ntfs
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.8. Контроль доступа к файлам
- 5.8.1. Доступ к файлам как частный случай доступа к разделяемым ресурсам
- 5.8.2. Механизм контроля доступа
- Имена файлов
- 5.8.3. Организация контроля доступа в ос unix
- Процесс
- Запрос операции
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.8.4. Организация контроля доступа в ос Windows nt
- 5.8.5. Разрешения на доступ к каталогам и файлам
- Соотношение индивидуальных и стандартных разрешений для файлов
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- Ответы на вопросы для самопроверки
- Лабораторные работы
- Методические указания для проведения лабораторных занятий и выполнения контрольной работы
- Лабораторная работа № 1 Системный реестр Windows 9x. Редактор базы данных регистрации
- Редактор системного реестра. Утилита regedit.Exe
- Командный файл системного реестра
- Утилита редактора системных правил Poledit
- Список ключей системного реестра
- Заблокировать возможность удаления принтеров.
- Заблокировать возможность добавления принтеров.
- Скрыть вкладку «Устройства» утилиты «Система».
- Скрыть вкладку «Профили оборудования» утилиты «Система».
- Лабораторная работа № 2 Администрирование сетевой ос Windows xp
- Установка удаленного терминала (Remote DeskTop Connection)
- Работа с Windows 2003 Server
- Утилиты панели управления
- Управление рабочей станцией
- Администрирование
- Конфигурирование сервера
- Управление контроллером домена
- Предоставление доступа к ресурсам сервера
- Привилегия клиента удаленного терминала
- Панель задач. Управление процессами
- Лабораторная работа № 3 Командные центры Windows 9х
- Утилита «Дата/время»
- Утилита «Клавиатура»
- Утилита «Мышь»
- Утилита «Специальные возможности»
- Утилита «Принтеры»
- Утилита «Шрифты»
- Утилита «Установка и удаление программ»
- Утилита «Система»
- Утилита «Язык и стандарты» Окно утилиты Язык и стандарты содержит вкладки Денежные единицы, Время, Дата, Региональные стандарты, Числа.
- Рабочий стол. Свойства рабочего стола
- Лабораторная работа № 4 Установка ос Fedora Core X. Режимы работы системы. Инсталляция приложений
- Подготовка жесткого диска к инсталляции ос Linux
- Программа редактирования разделов жесткого диска PowerQuest PartitionMagic 8.0
- Создать как: (Create as:) Logical Partition Тип раздела: (Partition type:) Linux Ext3 Размер: (Size:) 9500
- Инсталляция ос Fedora Core X
- Графический интерфейс gnome ос Linux
- Лабораторная работа № 4 Установка ос Fedora Core X
- Текстовый интерфейс ос Linux Алфавитно-цифровой терминал
- Режимы работы ос Linux
- Установка приложений в ос Red Hat
- Лабораторная работа № 5 Подсистемы управления ос
- Управление ресурсами ос Linux
- Графические утилиты управления процессами. Системный монитор
- Подсистемы управления, общие для всех ресурсов
- Администрирование в ос Red Hat. Локальные системы
- Пользовательский интерфейс
- Регистрация событий
- Лабораторная работа № 6 Файловые системы. Сетевые сервисы ос Linux
- Команды и утилиты, предназначенные для работы с файловыми системами
- Создание, редактирование и удаление разделов жесткого диска. Утилита fdisk
- Создание и локализация файловой системы
- Файловые службы и сетевые файловые системы
- Автомонтирование
- Сервисы Linux
- Список вопросов к контрольной работе
- Библиографический список