2.3. Операційна система та її оточення

Із означення ОС випливає, що вона реалізує зв’язок між апаратним забезпеченням комп’ютера (через інтерфейс апаратного забезпечення) і програмами користувача (через інтерфейс прикладного програмування). Розділі розглянемо особливості реалізації та використання цих інтерфейсів.

2.3.1. Взаємодія ос і апаратного забезпечення

Взаємодію ОС і апаратного забезпечення слід розглядати з двох боків. З одного боку, ОС повинна реалізовувати засоби взаємодії з апаратним забезпеченням, з іншого — архітектуру комп’ютера треба проектувати з урахуванням того, що на комп’ютері функціонуватиме ОС.

Інтерфейс апаратного забезпечення має бути повністю схований від прикладних програм і користувачів, усю роботу з ним виконує ОС. Розглянемо особливості апаратної підтримки цього інтерфейсу і його використання в сучасних ОС.

Засоби апаратної підтримки операційних систем

Сучасні апаратні архітектури комп’ютерів реалізують базові засоби підтримка операційних систем. До них належать: система переривань, привілейований режим процесора, засоби перемикання задач, підтримка керування пам’яттю (механізми трансляції адрес, захист пам’яті), системний таймер, захист пристрой введення-виведення, базова система введення-виведення (BIOS). Розглянемо ці засоби докладніше.

Система переривань є основним механізмом, що забезпечує функціонування ОС. За допомогою переривань процесор отримує інформацію про події, не пов’язані з основним циклом його роботи (отриманням інструкцій з пам’яті та їхнім виконанням). Переривання бувають двох типів: апаратні і програмні.

Апаратне переривання — це спеціальний сигнал (запит переривання, IRQ), що передається процесору від апаратного пристрою.

До апаратних переривань належать:

• переривання введення-виведення, що надходять від контролера периферійного пристрою; наприклад, таке переривання генерує контролер клавіатури при натисканні на клавішу;

• переривання, пов’язані з апаратними або програмними помилками (такі переривання виникають, наприклад, у разі збою контролера диска, доступу до забороненої області пам’яті або ділення на нуль).

Програмні переривання генерує прикладна програма, виконуючи спеціальну інструкцію переривання. Така інструкція є в системі команд більшості процесорів. Обробка програмних переривань процесором не відрізняється від обробки апаратних переривань.

Якщо переривання відбулося, то процесор негайно передає керування спеціальній процедурі — оброблювачеві переривання. Після виходу з оброблювача процесор продовжує виконання інструкцій перерваної програми. Розрізняють два типи переривань залежно від того, яка інструкція буде виконана після виходу

з оброблювача: для відмов (faults) повторюється інструкція, що спричинила переривання, для пасток (traps) — виконується наступна інструкція. Усі переривання введення-виведення і програмні переривання належать до категорії пасток, більшість переривань через помилки є відмовами.

За встановлення оброблювачів переривань зазвичай відповідає ОС. Можна сказати, що сучасні ОС керовані перериваннями (interrupt-driven), бо, якщо ОС не зайнята виконанням якої-небудь задачі, вона очікує на переривання, яке й залучає її до роботи.

Для реалізації привілейованого режиму процесора в одному з його регістрів передбачено спеціальний біт ( біт режиму), котрий показує, у якому режимі перебуває процесор. У разі програмного або апаратного переривання процесор автоматично перемикається у привілейований режим, і саме тому ядро ОС (яке складається з оброблювачів переривань) завжди отримує керування в цьому режимі. За будь - якої спроби безпосередньо виконати привілейовану інструкцію в режимі користувача відбувається апаратне переривання.

Засоби перемикання задач дають змогу зберігати вміст регістрів процесора (контекст задачі) у разі припинення задачі та відновлювати дані перед її подальшим виконанням.

Механізм трансляції адрес забезпечує перетворення адрес пам’яті, з якими працює програма, в адреси фізичної пам’яті комп’ютера. Апаратне забезпечення генерує фізичну адресу, використовуючи спеціальні таблиці трансляції.

Захист пам’яті забезпечує перевірку прав доступу до пам’яті під час кожної спроби його отримати. Засоби захисту пам’яті інтегровані з механізмами трансляції адрес: у таблицях трансляції утримується інформація про права, необхідні для їхнього використання, і про ліміт (розміри ділянки пам’яті, до якої можна отримати доступ з їхньою допомогою). Неможливо одержати доступ до пам’яті поверх ліміту або за відсутності прав на використання таблиці трансляції.

Системний таймер є апаратним пристроєм, який генерує переривання таймера через певні проміжки часу. Такі переривання обробляє ОС; інформацію від таймера найчастіше використовують для визначення часу перемикання задач.

Захист пристроїв введення-виведення ґрунтується на тому, що всі інструкції введення-виведення визначені як привілейовані. Прикладні програми здійснюють введення-виведення не прямо, а за посередництвом ОС.

Базова система введення-виведення (BIOS) — службовий програмний код, що зберігається в постійному запам’ятовувальному пристрої і призначений для ізоляції ОС від конкретного апаратного забезпечення. Зазначимо, що засоби BIOS не завжди дають змогу використати всі можливості архітектури: наприклад, процедури BIOS для архітектури ІА-32 не працюють у захищеному режимі. Тому сучасні ОС використовують їх тільки для початкового завантаження системи.

Апаратна незалежність і здатність до перенесення ОС

Як було згадано в розділі 2.2.2, компоненти ядра, які відповідають за безпосередній доступ до апаратного забезпечення, виділено в окремий рівень абстрагування від устаткування, що взаємодіє з іншою частиною системи через стандартні інтерфейси. Тим самим спрощується досягнення апаратної незалежності ОС.

Рівень абстрагування від устаткування відображає такі особливості архітектури, як число процесорів, типи їхніх регістрів, розрядність і організація пам’яті тощо. Що більше відмінностей між апаратними архітектурами, для яких призначена ОС, то складніша розробка коду цього рівня.

Крім рівня абстрагування від устаткування, від апаратного забезпечення залежать драйвери зовнішніх пристроїв. Такі драйвери проектують заздалегідь як апаратно-залежні, їх можна додавати та вилучати за потребою; для доступу до них зазвичай використовують універсальний інтерфейс.

Здатність до перенесення ОС визначається обсягом робіт, необхідних для того, щоб система могла працювати на новій апаратній платформі. ОС з такими властивостями має відповідати певним вимогам.

♦ Більша частина коду операційної системи має бути написана мовою високого рівня (звичайно для цього використовують мови С і C++, компілятори яких розроблені для більшості архітектур). Використання мови асемблера допустиме лише тоді, коли продуктивність компонента є критичною для системи.

♦ Код, що залежить від апаратного забезпечення (рівень абстрагування від устаткування) має бути відокремлений від іншої частини системи так, щоб у разі переходу на іншу архітектуру потрібно було переписувати тільки цей рівень.