ОС Windows NT. Уровень ядра.

Над уровнем аппаратных абстракций располагается уровень, содержащий то, что корпорация Microsoft называет ядром, а также драйверы устройств. В некоторых старых документах ядро называлось «микроядром», которым оно никогда не было, так как менеджер памяти, файловая система и другие основные компоненты системы постоянно находились в пространстве ядра и с самого начала работали в режиме ядра. Ядро определенно не является микроядром и сейчас, так как, начиная с NT 4.0, практически вся операционная система была помещена в пространство ядра. В главе, посвященной операционной системе UNIX, мы использовали термин «ядро» для обозначения всего, что работает в режиме ядра. В данной главе мы (весьма неохотно) зарезервируем этот термин для обозначения части системы на рис. 11.2, помеченной этим словом, а все программное обеспечение, работающее в режиме ядра, станем называть «операционной системой». Часть ядра (и большая часть уровня HAL) постоянно находится в оперативной памяти (то есть не выгружается). При помощи установки соответствующего приоритета эта часть ядра может решать, допустимо ли прерывание от устройств ввода-вывода или нет. Хотя значительная часть ядра представляет собой машинно-зависимую программу, тем не менее большая ее часть написана на С, кроме тех мест, в которых производительность считается важнее всех остальных задач.

Назначение ядра заключается в том, чтобы сделать всю остальную часть операционной системы независимой от аппаратуры и, таким образом, легко переноси- переносимой на другие платформы. Оно начинается там, где заканчивается уровень HAL. Ядро получает доступ к аппаратуре через уровень HAL. Оно построено на чрезвычайно низкоуровневых службах уровня HAL, формируя из них абстракции более высоких уровней. Например, у уровня HAL есть вызовы для связывания процедур обработки прерываний с прерываниями и установки их приоритетов, но больше практически ничего уровень HAL в этой области не делает. Ядро, напротив, предоставляет полный механизм для переключения контекста. Оно должным образом сохраняет все регистры центрального процессора, изменяет таблицы страниц, сохраняет кэш центрального процессора и т. д. Когда все эти действия выполнены, работавший ранее поток оказывается полностью сохраненным в таблицах, расположенных в памяти. Затем ядро настраивает карту памяти нового потока и загружает его регистры, после чего новый поток готов к работе.

Программа планирования потоков также располагается в ядре. Когда наступает пора проверить, не готов ли к работе новый поток, например, после того, как истечет выделенный потоку квант времени или по завершении процедуры обработки прерываний ввода-вывода, ядро выбирает поток и выполняет переключение контекста, необходимое, чтобы запустить этот поток. С точки зрения остальной операционной системы, переключение потоков автоматически осуществляется более низкими уровнями, так что для более высоких уровней не остается никакой работы. Сам алгоритм планирования будет обсуждаться ниже в этой главе, когда мы подойдем к теме процессов и потоков.

Помимо предоставления абстрактной модели аппаратуры более высоким уровням и управления переключениями потоков, ядро также выполняет еще одну ключевую функцию: предоставляет низкоуровневую поддержку двум классам объектов — управляющим объектам и объектам диспетчеризации. Эти объекты не являются объектами, к которым пользовательские процессы получают дескрипторы, но представляют собой внутренние объекты, на основе которых исполняющая система строит объекты пользователя.

Управляющие объекты — это объекты, управляющие системой, включая примитивные объекты процессов, объекты прерываний и два несколько странных объекта, называемых DPC и АРС. Объект DPC (Deferred Procedure Call —отложенный вызов процедуры) используется, чтобы отделить часть процедуры обработки прерываний, для которой время является критичным, от той ее части, для которой время некритично.

Объект АРС (Asynchronous Procedure Call — асинхронный вызов процедуры) похож на отложенный вызов процедуры DPC, но отличается тем, что асинхронный вызов процедуры выполняется в контексте определенного процесса.

Еще один тип объектов ядра — объекты диспетчеризации. К ним относятся семафоры, мьютексы, события, таймеры и другие объекты, изменения состояния которых могут ждать потоки. Причина, по которой они должны (частично) обрабатываться ядром, заключается в том, что они тесно переплетены с планированием потоками, что входит в круг задач ядра. Кстати, мьютексы в программах назывались «мутантами», так как от них требовалось соблюдение семантики операционной системы OS/2. То есть они не должны были автоматически разблокироваться, когда процесс, захвативший их, прекращал свою работу.