Datorita multitudinii si diversitatii sarcinilor pe care le are de indeplinit, sistemul de operare nu poate fi conceput sub forma unui program unitar. Practic, sistemul de operare consta dintr-o multime de secvente de program, fiecare indeplinind o anumita sarcina.

Un argument in favoarea unei asemenea abordari, in afara considerentelor de fiabilitate si usurinta in dezvoltare, il constituie evolutia continua a tehnologiilor utilizate, in special in ceea ce priveste dispozitivele periferice. Daca la un moment dat se pune problema inlocuirii intr-un calculator a unui asemenea periferic (de exemplu mouse) cu unul mai nou, va trebui schimbata secventa de program care se ocupa de gestionarea sa. In cazul in care sistemul de operare ar fi un program unic, acesta ar trebui inlocuit in intregime, ceea ce este inacceptabil in practica. Asupra acestui aspect vom reveni ulterior.

Pe de alta parte, exista o serie de operatiuni fundamentale, care trebuie realizate intotdeauna in acelasi mod, independent de particularitatile hardware-ului. Partile de program care indeplinesc aceste sarcini fundamentale formeaza nucleul sistemului de operare, care dirijeaza si controleaza functionarea sistemului de calcul in ansamblul sau. In continuare, notiunile de sistem de operare si de nucleu al sistemului de operare se vor confunda in mare masura, deoarece celelalte componente ale sistemului de operare sunt utilizate de catre nucleu pentru a-si indeplini sarcinile.

Nu exista intotdeauna o delimitare clara intre nucleu si celelalte componente. Conceptiile diversilor producatori de sisteme de operare difera in ceea ce priveste locul unora dintre functii - in nucleu sau in afara sa. Totusi, practic toate sistemele de operare existente includ in nucleu urmatoarele componente:

gestiunea proceselor gestiunea memoriei sistemele de fisiere c5l11ld
Majoritatea activitatilor pe care le desfasoara sistemul de operare nu pot fi realizate exclusiv prin software. Este necesar un sprijin, uneori substantial, din partea componentelor hardware si in special din partea procesorului. Natura exacta a acestui sprijin va fi discutata in continuare.

Sistemul de intreruperi
Principala facilitate oferita de catre procesor o constituie sistemul de intreruperi. Necesitatea acestuia devine evidenta in momentul in care studiem modul in care se executa programele. Uzual, procesorul executa instructiunile intr-o ordine data de urmatoarele reguli:

daca instructiunea curenta este una de salt, va fi executata in continuare instructiunea de la adresa la care se face saltul in caz contrar, va fi executata in continuare instructiunea aflata in memorie la adresa imediat urmatoare dupa instructiunea curenta
Ca o concluzie generala, intotdeauna o instructiune care face parte dintr-un program va fi urmata de o alta instructiune din acelasi program. Pana aici nu exista nici o posibilitate de a parasi programul aflat in executie decat daca acesta se termina singur. Acest model corespunde in general cerintelor, deoarece un program aflat in executie ruleaza in majoritatea timpului fara a tine cont de existenta sistemului de operare; totusi, acesta din urma trebuie sa poata interveni in anumite situatii bine definite, cum ar fi:

incercarea unui program de a efectua o actiune nepermisa o cerere explicita adresata de programul de aplicatie, privind efectuarea unui anumit serviciu de catre sistemul de operare alte evenimente aparute in sistem, care pot sa nu aiba legatura cu programul aflat in executie, dar care trebuie tratate imediat
Sistemul de operare va lasa deci orice program sa se execute fara interferente pana la aparitia uneia din situatiile descrise mai sus, dar in acest moment trebuie sa preia imediat controlul. Solutia este, asa cum am precizat deja, de natura hardware si este reprezentata de sistemul de intreruperi. Concret, acesta ofera tocmai posibilitatea intreruperii executiei programului curent in una din urmatoarele situatii:

o cerere de intrerupere venita din partea unui dispozitiv periferic; acest caz poarta denumirea de intrerupere hardware o operatie executata de procesor, care a dat un rezultat anormal (de exemplu o operatie de impartire la 0); asemenea situatii sunt denumite exceptii o cerere explicita venita chiar din partea programului aflat in curs de executie; asemenea cereri, numite intreruperi software, sunt utilizate de obicei pentru a cere sistemului de operare efectuarea unui anumit serviciu pe care programul de aplicatie nu-l poate realiza singur
Indiferent care este cauza care a produs intreruperea, comportarea procesorului este urmatoarea:

executia programului curent este suspendata si se memoreaza informatiile necesare pentru a putea relua in viitor executia respectivului program, fara a-i fi afectata comportarea se identifica sursa cererii de intrerupere in functie de cauza intreruperii, se apeleaza o anumita rutina care este responsabila de tratarea respectivei situatii la terminarea rutinei, folosind informatiile memorate, se revine la executia programului intrerupt, exact in punctul in care se afla acesta in momentul intreruperii
Evident, rutinele care trateaza situatiile generatoare de intreruperi fac parte din sistemul de operare, care poate astfel rezolva problemele aparute. Datorita flexibilitatii sale, mecanismul intreruperilor este folosit astazi de toate procesoarele existente. Asa cum vom vedea in continuare, acest mecanism sta la baza multor facilitati oferite de sistemele de operare.

Apeluri sistem
Una din sursele intreruperilor, prezentate mai sus, o constituie solicitarile formulate in mod explicit de programele de aplicatii catre sistemul de operare, pentru efectuarea anumitor servicii. De ce este insa necesar ca aceste servicii sa fie implementate de catre sistemul de operare si nu pot fi lasate in seama programelor? In primul rand, unele operatii uzuale (afisarea, cautarea pe disc etc.) se desfasoara intotdeauna in acelasi mod; deci, in loc de a scrie practic aceeasi rutina in fiecare program, este mai economic de a o scrie o singura data ca parte a sistemului de operare, astfel ca toate aplicatiile sa o poata utiliza.

Pe de alta parte, o serie de actiuni, in special accesele la dispozitivele periferice, prezinta riscuri considerabile pentru intregul sistem de calcul in cazul in care nu sunt realizate corect. Nu este deci convenabil de a permite programelor de aplicatie sa realizeze singure actiunile din aceasta categorie; se prefera ca activitatile de acest tip sa fie indeplinite numai prin intermediul unor rutine incluse in sistemul de operare. Pentru a pune in practica o asemenea abordare, trebuie sa se poata interzice pur si simplu realizarea anumitor operatii de catre programele de aplicatii. Din nou este necesar un suport hardware. Practic toate procesoarele existente astazi pot functiona in doua moduri distincte:

modul utilizator (user mode), in care exista anumite restrictii pentru procesor, in principal nu se pot executa instructiunile de acces la periferice (incercarea de a executa o asemenea instructiune duce la generarea unei exceptii) modul supervizor sau nucleu (kernel mode), in care procesorul nu are nici o limitare

In mod uzual, programele de aplicatii se executa in mod utilizator, iar sistemul de operare ruleaza in mod nucleu. In acest fel se asigura controlul sistemului de operare asupra operatiilor critice. Desi aplicatiile pierd din performanta prin limitarile impuse de modul utilizator, cresterea stabilitatii in functionare justifica din plin aceasta abordare. In acest moment putem studia ce se intampla atunci cand un program cere sistemului de operare furnizarea unui anumit serviciu. O asemenea cerere poarta numele de apel sistem (system call) si consta din urmatorii pasi:

programul, care ruleaza in modul utilizator al procesorului, depune parametrii apelului sistem pe care il solicita intr-o anumita zona de memorie; practic, mecanismul este similar apelurilor de proceduri se executa o instructiune speciala (in general o intrerupere software), care trece procesorul in modul nucleu se salveaza (in general pe stiva) informatiile legate de programul intrerupt care sunt necesare pentru reluarea ulterioara a executiei sale din acelasi punct se identifica serviciul cerut si se apeleaza rutina corespunzatoare rutina respectiva preia parametrii apelului din zona in care au fost depusi, ii verifica si, daca nu sunt erori, realizeaza actiunea ceruta; rezultatele obtinute sunt la randul lor depuse intr-o zona de memorie cunoscuta programului de aplicatie la terminarea rutinei, procesorul revine in mod utilizator si se reia executia programului din punctul in care a fost intrerupt (utilizand informatiile memorate anterior in acest scop); programul poate prelua rezultatele apelului din zona in care au fost depuse
Se poate observa ca executia unui apel sistem este mare consumatoare de timp. Din fericire, puterea de calcul a procesoarelor moderne este suficient de mare incat sa reduca in limite acceptabile pierderea de performanta datorata apelurilor sistem, iar cresterea fiabilitatii sistemului de calcul in ansamblul sau justifica din plin aceasta abordare. Totusi, pentru aplicatiile in care performanta este critica, se cauta solutii de reducere a ponderii apelurilor sistem, pentru a micsora intarzierile produse de acestea. Unele dintre aceste solutii tin de insasi structura sistemului de operare si vor fi discutate mai tarziu. Exista insa o solutie aflata la indemana programatorilor de aplicatii - lucrul cu buffere.

Esenta acestei idei este urmatoarea: pentru majoritatea perifericelor, o mare parte din timpul de comunicare se datoreaza initierii accesului si nu transferului propriu-zis de date. Rezulta de aici ca s-ar putea economisi timp daca ar fi servite mai multe asemenea cereri intr-un singur acces, in loc de a le servi pe fiecare intr-un acces separat. In mod particular accesul la disc are aceasta caracteristica foarte pronuntata. Solutia este deci de a nu incerca servirea imediata a fiecarei cereri de transfer de date cu un periferic, ci de a astepta acumularea mai multor cereri si a le servi pe toate intr-un singur acces. In acest scop, cererile care asteapta sa fie servite trebuie memorate intr-o zona de memorie dedicata, numita buffer.

Ca un exemplu, consideram sistemele din familia Unix, in care aplicatiile sunt scrise in mod traditional in limbajul C. Functia de biblioteca printf se bazeaza pe apelul sistem write, care realizeaza afisarea propriu-zisa. La fiecare apel al functiei printf, sirul de caractere care se doreste a fi afisat este depus intr-un buffer; in plus se verifica daca bufferul s-a umplut, caz in care este realizat un apel sistem write, ce afiseaza toate sirurile din buffer. In acest mod se obtine un castig de viteza care in unele cazuri poate fi substantial.

In multe situatii sistemul de operare foloseste el insusi buffere. In general insa apelurile sistem lucreaza fara buffere, deoarece in unele cazuri aplicatia poate avea nevoie ca un anumit transfer sa fie efectuat cat mai repede posibil, fara a mai astepta sosirea altor cereri care sa umple bufferul. Modul de lucrul cu buffere poate fi implementat la nivelul functiilor de biblioteca sau chiar direct de catre utilizator.

Drivere de dispozitiv

Asa cum s-a aratat deja, gestionarea dispozitivelor periferice se confrunta cu desele schimbari suferite de acestea, ca urmare a progresului tehnologic rapid. Este practic imposibil ca producatorul unui sistem de operare sa poata scrie secventele de program necesare pentru gestionarea tuturor perifericelor existente pe piata, cu atat mai mult cu cat permanent apar noi modele. Situatia este valabila in principal pentru imprimante, dar si pentru celelalte tipuri de periferice (placi video, unitati CD, mouse, placi de retea, placi audio, chipset-urile placilor de baza etc.), cu exceptia partiala a tastaturilor si a discurilor hard, unde maturitatea tehnologica a condus la o standardizare puternica. Din acest motiv se prefera ca gestionarea perifericelor sa fie lasata in seama unor module de program, numite drivere, exterioare nucleului, dar care pot coopera cu acesta. Pentru fiecare dispozitiv periferic existent intr-un calculator trebuie sa existe un driver, altfel respectivul periferic nu va putea fi folosit. In general sistemele de operare contin drivere pentru modelele de periferice cele mai utilizate; in cazul celorlalte, driverele trebuie furnizate de producatorii respectivelor dispozitive.

Utilitatea mecanismului driverelor este evidenta: permite schimbarea usoara a oricarui periferic, fara a fi necesara reinstalarea intregului sistem de operare. De asemenea, depistarea si corectarea erorilor devine mult mai facila. Cu toate acestea, in mod traditional, sistemele de operare din familia Unix au o abordare mai putin flexibila, incluzand driverele in nucleu. Aceasta atitudine se justifica prin faptul ca, pentru majoritatea sistemelor Unix, producatorul este si singurul ofertant de hardware, deci nu trebuie sa faca fata unui numar mare de dispozitive produse de alte firme. Totusi, sistemul Linux si alte sisteme Unix ofera in ultima vreme suport pentru incarcarea dinamica a unor module.