Русская Википедия:Микроядро

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Другие значения

Файл:Kernel-microkernel.svg
Архитектура микроядра, основанная на программах-серверах, работающих в пользовательском режиме

Микроядро (Шаблон:Lang-en) или μ-ядро (Шаблон:Lang-en) — ядро операционной системы, реализующее минимальный набор функций.

Устройство

Работа с микроядром осуществляется так же, как и с монолитным ядром — через системные вызовы.

Микроядра предоставляют лишь небольшой набор низкоуровневых примитивов/механизмов/сервисов для:

  • управления физической и виртуальной памятью компьютера (выделение памяти процессам, обеспечение её изоляции/защиты);
  • управления процессорным временем (сервисы для работы с потоками (нитями) процессов (см. планировщик потоков (Шаблон:Lang-en));
  • управления доступом к устройствам ввода-вывода (открытие/закрытие доступа к портам ввода-вывода и MMIO-памяти устройств);
  • коммуникации и синхронизации процессов (Шаблон:Lang-en, IPC) (управляемое и контролируемое нарушение изоляции памяти процесса для организации обмена данными).

Остальные примитивы/функции/компоненты/сервисы/модули, например:

работают в пространстве пользователя в виде отдельных процессов, взаимодействуют с ядром с помощью системных вызовов, взаимодействуют друг с другом с помощью IPC. В операционной системе с монолитным ядром эти компоненты работают в пространстве ядра в виде потоков ядра.

На процессорах архитектуры x86 используется так называемая кольцевая защита. Процессы пространства пользователя работают на третьем кольце (Шаблон:Lang-en), не могут выполнять некоторые действия, доступные на нулевом кольце (Шаблон:Lang-en). Ошибка в процессе пространства пользователя в худшем случае приведёт к завершению процесса.

Достоинства и недостатки

Преимущества ОС, построенной на микроядре, по сравнению с ОС, построенной на монолитном ядре:

  • простота реализации (ядро и компоненты реализуют чётко определённую функциональность, поэтому размер их кода невелик);
  • простота отладки (компоненты — обычные процессы, поэтому могут отлаживаться с помощью инструментов, созданных для отладки процессов);
  • гарантированная безопасность (код небольшого размера можно проверить на корректность вручную или автоматически — с помощью математических рассуждений);
  • надёжность (в ОС с микроядерной архитектурой ошибка в одном из компонентов приведёт к завершению процесса компонента; в ОС с монолитным ядром отказ компонента приведёт к отказу ОС);
  • модульность (в микроядерной ОС большее число компонентов может быть запущено и остановлено по необходимости; например, для исправления ошибки можно внести изменения в код компонента, скомпилировать новый компонент, остановить старый и запустить новый).

Недостатки ОС, построенной на микроядре, по сравнению с ОС, построенной на монолитном ядре:

  • более низкая производительность (из-за накладных расходов на IPC).

Для того, чтобы микроядерная ОС по скорости не уступала ОС, построенной на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты и стараться минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных ОС — необходимость очень аккуратного проектирования.

Поколения

Микроядра условно делят на поколения. Микроядра разных поколений различаются устройством и технологическими решениями.

Первое поколение

Второе поколение

Третье поколение

История

Микроядра типа ядра ОС Minix и GNU Hurd развиваются гораздо медленнее, чем Linux и ядро систем семейства BSD. По словам создателя Minix 3 Эндрю Таненбаума, он пытается «построить сверхнадёжную систему, которая может использоваться в том числе на серверах, которым необходимы годы безотказной работы»[2].

Классическим примером микроядерной ОС является Symbian OS. Это пример распространённой и отработанной микроядерной (a начиная c версии Symbian OS v8.1, и наноядерной) операционной системы.

Создателям Symbian OS удалось совместить эффективность и концептуальную стройность, несмотря на то, что современные версии этой системы предоставляют обширные возможности, в том числе средства для работы c потоковыми данными, стеками протоколов, критичными к латентности ядра, графикой и видео высокого разрешения. Разработчики Symbian вынесли практически все прикладные (т. e. выходящие за пределы компетенции ядра) задачи в модули-серверы, функционирующие в пользовательском адресном пространстве.

В ОС Windows NT версий 3.х микроядерная архитектура с сервисным процессом использовалась для подсистемы графики и пользовательского интерфейса. В частности, драйвер графической аппаратуры загружался в контекст сервисного процесса, а не ядра. Начиная с версии 4, от этого отказались, сервисный процесс сохранился только для управления консольными окнами командной строки, а собственно графическая подсистема вместе с драйвером аппаратуры (в том числе трёхмерной графики) переместилась в специально обособленный регион ядра ОС.

ОС Windows CE (и созданные на её основе сборки, такие как Windows Mobile), будучи практически полностью совместимой (как подмножество) с Windows NT по вызовам и методам программирования приложений, тем не менее полностью отличается от Windows NT по внутренней архитектуре и является микроядерной ОС с выносом всех драйверов устройств, сетевых стеков и графической подсистемы в сервисные процессы.

Недостаток — плата за принудительное «переключение» процессов в ядре (переключение контекста); этот факт собственно и объясняет трудности в проектировании и написании ядер подобной конструкции. Эти недостатки способны обойти ОС, использующие архитектуру экзоядра, являющуюся дальнейшим развитием микроядерной архитектуры.

См. также

Виды ядер
Операционные системы, построенные на основе микроядер

Примечания

Шаблон:Примечания

Ссылки

Шаблон:Аспекты операционных систем Шаблон:Rq

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Проект «Nova» Шаблон:Wayback. Официальный сайт.
  2. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Микроядро&oldid=10377882