Особенности архитектуры и основные возможности

Строение и функционирование операционной системы OS/2 можно считать прак­тически идеальными с точки зрения теории и довольно неплохими в реализации. В качестве подтверждения этому можно привести один пример, который представ­ляется очень показательным: OS/2 до сегодняшних дней практически неизменна, начиная с версии 2.0, увидевшей свет в 1992 году. Этот факт говорит о глубокой продуманности архитектуры системы, ведь и по сей день OS/2 является одной из самых мощных и продуктивных операционных систем. Здесь самым показательным примером являются тесты серверов. В одной из вычислительных лабораторий Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП) с 1995 года в течение нескольких лет функции сервера кафедры вычисли­тельных систем и сетей выполняла система OS/2 Warp Advanced Server. При перехо­де на сервер Windows NT 4.0 пришлось в два раза увеличить объем оперативной памя­ти и поменять процессор (с Pentium 90 на Pentium II300), и даже после этого скорость работы обычных приложений на рабочих станциях не достигла той производительно­сти, какую имели пользователи при работе сервера под управлением OS/2. Аналогич­ные замечания не так давно можно было прочесть и в зарубежных публикациях — однопроцессорная машина под управлением OS/2 Warp Server обгоняет по произ­водительности двухпроцессорную машину под управлением Windows NT.

Семейство операционных систем OS/2 Warp компании IBM____________________ 355

Разработчики системы OS/2 решили не использовать всех возможностей защи­щенного режима, заложенных в микропроцессоры i80x86. Например, обработка прерываний чаще всего ведется через коммутаторы прерываний, а не через комму­таторы задач. Используется плоская модель памяти. Хорошо продуманная архи­тектура, в которой задействована модель клиент-сервер, и тщательное кодирова­ние позволили получить систему, требующую очень небольших вычислительных ресурсов. Очень удачно реализована диспетчеризация задач. Представление раз­личных системных информационных структур в статической форме (в виде таб­лиц) привело к более высокому быстродействию.

В OS/2 имеется несколько видов виртуальных машин для выполнения приклад­ных программ. Собственные 32- и 16-разрядные программы OS/2 выполняются на отдельных виртуальных машинах в режиме вытесняющей многозадачности и могут общаться между собой с помощью средств DDE OS/2. Прикладные про­граммы DOS и Win16 могут запускаться на отдельных виртуальных машинах в многозадачном режиме. При этом они поддерживают полноценные связи DDE и OLE 2.0 друг с другом, а также связи DDE с 32-разрядными программами OS/2. Кроме того, при желании можно запустить несколько программ Win16 на общей виртуальной машине Win16, где они работают в режиме невытесняющей многоза­дачности, как в Windows 3.x. Конечно, нынче это уже неактуально, поскольку по­явилось огромное количество приложений, использующих API Win32, но в 90-е го­ды XX века эти факты имели существенное значение.

Разнообразные сервисные функции API OS/2, в том числе SOM (System Object Model — модель системных объектов), обеспечиваются с помощью системных биб­лиотек DLL, к которым можно обращаться без требующих затрат времени перехо­дов между кольцами защиты. Ядро операционной системы OS/2 предоставляет многие базовые сервисные функции API, обеспечивает поддержку файловой сис­темы, управление памятью, имеет диспетчер аппаратных прерываний. В ядре вир­туальных DOS-машин (Virtual DOS Machine, VDM), или в VDM-ядре, осуществ­ляется эмуляция DOS и процессора 8086, а также управление VDM. Драйверы виртуальных устройств обеспечивают уровень аппаратной абстракции. Драйверы физических устройств напрямую взаимодействуют с аппаратурой.

Модуль реализации механизмов виртуальной памяти в ядре OS/2 поддерживает большие постраничные разбросанные адресные пространства, составленные из объектов памяти. Каждый объект памяти управляется так называемым пейдже­ром — задачей вне ядра, обеспечивающей резервное хранение страниц объекта па­мяти. Адресные пространства управляются путем отображения или размещения объектов памяти внутри них. Ядро управляет защитой памяти и ее распределени­ем на основе объектов памяти абстрактным образом, вне зависимости от каких-либо конкретных аппаратных средств трансляции процессорных адресов. В част­ности, ядро интенсивно использует режим копирования при записи для придания программам способности делить объекты памяти, не копируя множество страниц, когда новое адресное пространство получает доступ к объекту памяти. Новые ко­пии страниц создаются, только когда программа в одном из адресных пространств обновляет их. Когда ядро принимает страничный сбой в объекте памяти и не име-

356________________ Глава 10. Краткий обзор современных операционных систем

ет страницы памяти в наличии, или когда оно должно удалить страницы из памяти по требованию других работающих программ, ядро с помощью механизма IPC уве­домляет пейджер об объекте памяти, в котором произошел сбой. После этого пей­джер сервера приложений определяет, каким образом предоставить или сохранить данные. Это позволяет системе устанавливать различные семантики для объектов памяти, основываясь на потребностях программ, которые их используют.

Ядро управляет средами исполнения для программ, обеспечивая множественность заданий (процессов) и потоков выполнения. Каждое задание (процесс¹) имеет свое собственное адресное пространство, или отображение. Ядро распределяет объекты памяти, которые задание отобразило на диапазон адресов внутри адресного простран­ства. Задание также является блоком размещения ресурсов и защиты, при этом за­даниям придаются возможности и права доступа к средствам IPC системы. Для под­держки параллельного исполнения с другой программой в пределах одного адресного пространства ядро отделяет среду исполнения от реально выполняющегося потока. Таким образом, программа задания может быть загружена и исполнена в несколь­ких различных местах кода в одно и то же время на мультипроцессоре или парал­лельной машине. Это может привести к повышению быстродействия приложения.

Система IPC обеспечивает базовый механизм, позволяющий потокам работать в раз­личных заданиях, взаимодействуя друг с другом, и надежную доставку сообщений в порты. Порты представляют собой защищенные каналы связи между заданиями. Каждому заданию, использующему порт, приписывается набор прав на этот порт. Права могут быть различными для разных заданий. Только одно задание может по­лучить какой-либо порт, хотя любой поток внутри задания может выполнять опера­цию приема. Одно или более заданий могут иметь право посылать информацию в порт. Ядро позволяет заданиям применять систему IPC для передачи друг другу прав на порт. Оно также обеспечивает высокопроизводительный способ передачи больших объемов данных в сообщениях. Вместо того чтобы копировать данные, со­общение содержит указатель на них, который называется указателем на данные вне линии. Когда ядро передает сообщение от передатчика к приемнику, оно заставляет память, передаваемую через указатель, появиться в адресном пространстве прием­ника и, как вариант, исчезнуть из адресного пространства передатчика. Ядро само структурировано как задание с потоками, и большинство системных служб реали­зованы как механизмы IPC-обращений к ядру, а не как прямые системные вызовы.

Для поддержки операций ввода-вывода и доступа к внешним устройствам ядро опе­рационной системы OS/2 обеспечивает доступ к ресурсам ввода-вывода, таким как устройства с отображаемой памятью, порты ввода-вывода и каналы прямого досту­па к памяти (Direct Memory Access, DMA), а также возможность отображать преры­вания на драйверы устройств, исполняемые в пользовательском пространстве. Служ­бы ядра позволяют приоритетным программам получать устройства в свое владение: такими программами обычно являются программы, не связанные с заданиями, вро­де серверов драйверов устройств, работающих как приложения. Поскольку ядро обязано обслужить все прерывания (в силу того, что прерывания обычно выдаются

¹ Здесь термины «задание» и известный нам «процесс» используются как синонимы.

Семейство операционных систем OS/2 Warp компании IBM____________________ 357

в приоритетном состоянии компьютера, а также в целях поддержания целостности системы), оно имеет логику, которая определяет, должно ли оно обрабатывать пре­рывание или его следует отобразить на сервер. Если прерывание следует отобразить на приложение, это приложение должно быть зарегистрировано в ядре и содержать код, контролирующий отображение прерывания. Сразу после отображения в при­ложении запускается поток по обработке прерывания.

В соответствии с концепцией микроядерных операционных систем, непосредственно поверх ядра системы OS/2, которое построено с использованием этой архитектуры, располагается ряд служебных приложений, предоставляющих системные службы об­щего назначения, то есть службы, не зависящие от операционной среды, в которой выполняется приложение. Эти службы зависят только от ядра, некоторых вспомога­тельных служб, экспортируемых доминирующей задачей операционной системы, и от самих себя. В числе задачно-нейтральных служб имеются пейджер умолчания, ма­стер-сервер, который загружает другие задачно-нейтральные серверы в память, служ­ба низкоуровневых имен, служба защиты, службы инициализации, набор драйверов устройств со связанным кодом поддержки, а также библиотечные подпрограммы для стандартной программной среды. Дополнительные задачно-нейтральные сервисы, например выделенный файловый сервер, могут быть просто добавлены.

С помощью ядра операционной системы и задачно-нейтральных сервисов приори­тетная задача может обеспечить операционную системную среду типа UNIX. По­скольку приоритетная задача является прикладным сервером, можно добавлять другие серверы для различных задач, исполняющих программы, написанные в раз­ных операционных системах, работающих на машине в одно и то же время.

Существуют некоторые операционные системные сервисы (вроде трансляции со­общений об ошибках), не обеспечиваемые задачно-нейтральными сервисами. По­скольку лучше не дублировать подобные сервисы, приоритетная задача предо­ставляет эти сервисы не только своим клиентским приложениям, но и любой другой задаче, исполняющейся в машине.