Архитектура ядра UNIX

На диаграмме ниже показаны различные модули ядра и их свзяи. Два главных компонента ядра: файловая подсистема (file subsystem) и подсистема управления процессами (process control subsystem). Также здесь видно три уровня: user, kernel и hardware levels. Интерфейс системных вызовов (system call interface) и библиотеки(libraries) разделяют пользовательский уровень и уровень ядра. Системные вызовы обычно представлены в виде вызовов функций в С программах, библиотеки собирают эти вызовы в примитивы, необходимые для работы ОС.

Блочная диаграмма ядра UNIX

Файловая подсистема управляет файлами, выделяет место под них, управляет свободным пространством, контролирует доступ к файлам, получает данные для пользователей. Процессы взаимодействуют с файловой подсистемой через специфический набор системных вызовов:

• open открывает файл для чтения и записи
  
• close
  
• read
  
• write
  
• stat запрашивает атрибуты файла
  
• chown изменяет запись о том, кто владеет файлом
  
• chmod управляет доступов к файлу
  

Файловая подсистема получает доступ к файлам, используя механизм буферизации (buffering mechanism), который устанавливает канал между ядром (kernel) и устройством хранения (storage device). Механизм буферизации взаимодействует с драйвером устройства блочного ввода/вывода (block I/O device) для того, чтобы инициировать перемещение данных в/из ядра. Драйвер устройства - это модуль ядра, который контролирует работу периферийных устройств.
Файловая подсистема также может напрямую взаимодействовать с "сырыми" ("raw") драйверами ввода/вывода без привлечения механизма буферизации. Raw устройства также называют символьными (character). Это все устройства, которые нельзя отнести к блочным.

Подсистема управления процессами

Подсистема управления процессами отвечает за синхронизацию процессов (process synchronization), межпроцессорное взаимодействие (interprocess communication), управление памятью (memory managment) и планировкой процессов (process sheduling). Файловая подсистема и подсистема управления процессами взаимодействуют при загрузке файла в память для его запуска (подсистема процессов прочитывает исполняемый файл в память перед его исполнения).
Некоторые системные вызовы для управления процессами:

• fork создает новый процесс
  
• exec накладывает образ программы на текущий процесс
  
• exit заканчивает запущенный процесс
  
• wait синхронизирует исполнение процесса с exit предыдущего fork-нутого процесса
  
• brk контролирует размер выделенной на процесс памяти
  
• signal управляет откликом процесса на экстраординарные события
  

Модуль управления памятью (memory managment module) управляет выделением памяти. Если системе не хватает физической памяти для всех процессов, ядро перемещает их между основной и вторичной памятью, и так все процессы имеют возможность быть запущенными.

Планировщик (sheduler) выделяет CPU под процессы. Он распределяет запуск процессов пока они добровольно (произвольно) не освободят CPU на/во время ожидания ресурса, либо пока ядро не выгрузит их по истечении кванта времени. После планировщик выбирает процесс с наибольщим приоритетов для его запуска; первичный процесс будет запущен опять тогда, когда он будет являться процессом с наивысшим приоритетом.
Существует несколько видов межпроцессорного взаимодействия, начиная с асинхронной передачи событий (asynchronous signaling of events), заканчивая синхронной передачей сообщений между процессами.

Управление аппаратным обеспечением

И наконец, управление аппаратным обеспечением (hardware control) ответственно за обработку прерываний (handling interrupts) и общения с машиной. Такие устройства как диски или терминалы могут прерывать CPU во время выполнения процесса. В таком случае ядро может продолжить исполнение прерванного процесса после обслуживания прерывания. Прерывания не обслуживаются специальными процессами, а специальными функциями ядра, вызываемыми в контексте текущего запущенного процесса.

Литература:

• The Design Of the Unix Operating System by Maurice J. Bach, 1986