26.__Машинно-зависимые свойства операционных систем

• прерывания

• планирование процессов

• обслуживание ввода-вывода

• управление реальной и виртуальной памятью

Одна и та же операционная система не может без каких-либо изменений устанавливаться на компьютерах, отличающихся типом процессора или/и способом организации всей аппаратуры. В модулях ядра ОС не могут не отразиться такие особенности аппаратной платформы, как количество типов прерываний и формат таблицы ссылок на процедуры обработки прерываний, состав регистров общего назначения и системных регистров, состояние которых нужно сохранять в контексте процесса, особенности подключения внешних устройств и многие другие.

Однако опыт разработки операционных систем показывает: ядро можно спроектировать таким образом, что только часть модулей будут машинно-зависимыми, а остальные не будут зависеть от особенностей аппаратной платформы. В хорошо структурированном ядре машинно-зависимые модули локализованы и образуют программный слой, естественно примыкающий к слою аппаратуры, как это и показано на рис. Такая локализация машинно-зависимых модулей существенно упрощает перенос операционной системы на другую аппаратную платформу.

Объем машинно-зависимых компонентов ОС зависит от того, насколько велики отличия в аппаратных платформах, для которых разрабатывается ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, для переноса на машину с 16-битовыми адресами должна быть практически переписана заново. Одно из наиболее очевидных отличий — несовпадение системы команд процессоров — преодолевается достаточно просто. Операционная система программируется на языке высокого уровня, а затем соответствующим компилятором вырабатывается код для конкретного типа процессора. Однако во многих случаях различия в организации аппаратуры компьютера лежат гораздо глубже и преодолеть их таким образом не удается. Например, однопроцессорный и двухпроцессорный компьютеры требуют применения в ОС совершенно разных алгоритмов распределения процессорного времени. Аналогично отсутствие аппаратной поддержки виртуальной памяти приводит к принципиальному различию в реализации подсистемы управления памятью. В таких случаях не обойтись без внесения в код операционной системы специфики аппаратной платформы, для которой эта ОС предназначается.

Для уменьшения количества машинно-зависимых модулей производители операционных систем обычно ограничивают универсальность машинно-независимых модулей. Это означает, что их независимость носит условный характер и распространяется только на несколько типов процессоров и созданных на основе этих процессоров аппаратных платформ. По этому пути пошли, например, разработчики ОС Windows NT, ограничив количество типов процессоров для своей системы четырьмя и поставляя различные варианты кодов ядра для однопроцессорных и многопроцессорных компьютеров.

Особое место среди модулей ядра занимают низкоуровневые драйверы внешних устройств. С одной стороны эти драйверы, как и высокоуровневые драйверы, входят в состав менеджера ввода-вывода, то есть принадлежат слою ядра, занимающему достаточно высокое место в иерархии слоев. С другой стороны, низкоуровневые драйверы отражают все особенности управляемых внешних устройств, поэтому их можно отнести и к слою машинно-зависимых модулей. Такая двойственность низкоуровневых драйверов еще раз подтверждает схематичность модели ядра со строгой иерархией слоев.

Для компьютеров на основе процессоров Intel x86/Pentium разработка экранирующего машинно-зависимого слоя ОС несколько упрощается за счет встроенной в постоянную память компьютера базовой системы ввода-вывода — BIOS. BIOS содержит драйверы для всех устройств, входящих в базовую конфигурацию компьютера: жестких и гибких дисков, клавиатуры, дисплея и т. д. Эти драйверы выполняют весьма примитивные операции с управляемыми устройствами, например чтение группы секторов данных с определенной дорожки диска, но за счет этих операций экранируются различия аппаратных платформ персональных компьютеров и серверов на процессорах Intel разных производителей. Разработчики операционной системы могут пользоваться слоем драйверов BIOS как частью машинно-зависимого слоя ОС, а могут и заменить все или часть драйверов BIOS компонентами ОС.

Объем машинно-зависимых частей кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован. Так, например, следует всячески избегать прямого манипулирования регистрами и другими аппаратными средствами процессора. Для уменьшения аппаратной зависимости разработчики ОС должны также исключить возможность использования по умолчанию стандартных конфигураций аппаратуры или их характеристик. Аппаратно-зависимые параметры можно «спрятать» в программно-задаваемые данные абстрактного типа. Для осуществления всех необходимых действий по управлению аппаратурой, представленной этими параметрами, должен быть написан набор аппаратно-зависимых функций. Каждый раз, когда какому-либо модулю ОС требуется выполнить некоторое действие, связанное с аппаратурой, он манипулирует абстрактными данными, используя соответствующую функцию из имеющегося набора. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют. Например, в ОС Windows NT диспетчер прерываний преобразует аппаратные уровни прерываний конкретного типа процессора в стандартный набор уровней прерываний IRQL, с которыми работают остальные модули операционной системы. Поэтому при переносе Windows NT на новую платформу нужно переписать, в частности, те коды диспетчера прерываний, которые занимаются отображением уровней прерывания на абстрактные уровни IRQL, а те модули ОС, которые пользуются этими абстрактными уровнями, изменений не потребуют.

В идеале слой машинно-зависимых компонентов ядра полностью экранирует остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы (кэши, контроллеры прерываний ввода-вывода и т. п.), по крайней мере для того набора платформ, который поддерживает данная ОС. В результате происходит подмена реальной аппаратуры некой унифицированной виртуальной машиной, одинаковой для всех вариантов аппаратной платформы. Все слои операционной системы, которые лежат выше слоя машинно-зависимых компонентов, могут быть написаны для управления именно этой виртуальной аппаратурой. Таким образом, у разработчиков появляется возможность создавать один вариант машинно-независимой части ОС (включая компоненты ядра, утилиты, системные обрабатывающие программы) для всего набора поддерживаемых платформ.

Концепция процесса

Процесс - это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования.

Понятие процесса тесно связано с понятием задача:

Задача - в режиме мультипрограммирования или мультипроцессорной обработки одна или более последовательностей команд, обрабатываемых управляющей программой как элемент работы, которая выполняется вычислительной машиной.

Выполнение задачи реализуется в вычислительной системе запуском не менее одного процесса. Можно говорить, что задача - это один или несколько процессов, обеспечивающих достижение поставленных пользователем целей.

Об отношении процесса и программы можно сказать, что процесс - это программа во время ее выполнения. Всякая программа становится процессом, когда начинает выполняться в ЭВМ.

В период своего существования процесс может находиться в одном из следующих основных состояний:

• порождение, во время которого подготавливаются условия для первого исполнения на центральном процессоре;

• активное состояние (выполнение), когда процессу принадлежит центральный процессор;

• ожидание, во время которого процесс блокирован по причине занятости каких-либо необходимых ему ресурсов;

• готовность, при котором процесс получил все необходимые ему ресурсы, кроме центрального процессора;

• окончание, во время которого выполняются завершающие работу операции, после чего ресурсы процессу больше не предоставляются.

Концепция ресурса

Одной из важнейших задач, решаемых современными ОС, является обеспечение эффективного и бесконфликтного распределения ресурсов вычислительной системы между процессами.

Ресурс вычислительной системы - средство вычислительной системы, которое может быть выделено процессу обработки данных на определенный интервал времени.

Основными ресурсами вычислительной системы являются: процессоры; области основной памяти; наборы данных; периферийные устройства; программы.

Для осуществления планирования и распределения ресурсов ОС необходима информация об их свойствах, что достигается введением упорядочения ресурсов по ряду классификационных признаков.

Признак “Реальность существования” ресурса разделяет ресурсы на физические и виртуальные (от англ. Virtual - возможный). Под физическим понимают ресурс, который реально существует и при распределении его между процессами в ВС обладает всеми присущими ему физическими характеристиками. Виртуальный ресурс - это некоторая модель физического ресурса.

Виртуальный ресурс вычислительной системы - это такой ресурс ВС, который реально может либо не существовать в вычислительной системе, либо существовать с худшими, чем необходимо процессу обработки данных, свойствами и формируемый управляющей программой ВС в виде модели ресурса с требуемыми потребительскими свойствами с использованием реально существующих ресурсов вычислительной системы.

Наиболее законченным и естественным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. Любая операционная система, будучи посредником между пользователем и аппаратной частью вычислительной системы, создает у пользователя определенное представление о вычислительной системе и ее ресурсах, т.е. формирует у пользователя видимость виртуальной машины. Восприятие характеристик виртуальной машины различными пользователями неоднозначно. Чаще всего виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, однако архитектурные элементы этого представления выступают с новыми, зачастую улучшенными, качествами.

Чем больше машина, реализуемая средствами конкретной ОС на базе конкретной аппаратной части, приближена к “идеальной” по характеристикам машине, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличаются от реально существующих, тем больше уровень виртуальности получаемой пользователем виртуальной машины.

Концепция виртуальности машины нашла широкое применение при проектировании и реализации операционных систем, позволяя наиболее рационально представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков и распределителей ресурсов.

Концепция прерывания

Реализация мультипрограммного режима работы вычислительных систем возможна только на применении концепции прерываний, которая состоит в том, что любой процесс, обслуживаемый операционной системой, может быть прерван процессом, имеющим более высокий приоритет.

Прерывание - временное прекращение процесса, такого как выполнение программы вычислительной машины, вызванное событием, внешним по отношению к этому процессу, и совершенное таким образом, что процесс может быть продолжен (СТ ИСО 2382/10-79).

Приведенное определение исчерпывающе характеризует суть понятия прерывания, оставляя за рамками рассмотрения физическую природу аппаратного средства, где возникает это прерывание. Существует другое определение, в котором конкретизируется устройство, в котором происходит прерывание [1,2]:

Прерывание - операция процессора, состоящее в регистрации состояния процессора, предшествующего прерыванию, и установлении нового состояния.

В вычислительной машине прерывание - это событие, при котором меняется нормальная последовательность команд, выполняемых процессором. Сигнал “прерывание” сначала отрабатывается аппаратурой вычислительной машины - системой прерываний. Если произошло прерывание, то в вычислительной системе выполняются последовательно следующие действия (рис.2.5):

• управление передается операционной системе;

• операционная система запоминает состояние прерванного процесса;

• операционная система анализирует тип прерывания и передает управление соответствующей программе обработки этого прерывания;

• программа обработки прерывания выполняет предписанные действия и передает управление операционной системе;

• операционная система по результатам работы программы обработки прерываний либо восстанавливает состояние прерванного процесса и позволяет развиваться ему дальше, либо аварийно заканчивает его.

Следует иметь в виду, что инициатором прерывания может быть также и выполняющийся процесс.

Количество источников сигналов прерывания достигает в современных вычислительных системах нескольких сотен и даже тысяч. Все возможные в системе прерывания можно классифицировать по месту (причине) их возникновения. Различают шесть основных классов прерываний: прерывания от схем контроля ЭВМ; прерывания по рестарту (повторному пуску); прерывания ввода/вывода; внешние прерывания; прерывания по вызову супервизора; программные прерывания.

Прерывание от схем контроля возникает в случае появления любой аппаратной ошибки в ЭВМ. Продолжение работы машины становится невозможным, и процесс аварийно заканчивает свое существование.

Прерывание по рестарту может наступить в следующих случаях: на пульте управления была нажата кнопка (клавиша, сочетание клавиш) повторного пуска ЭВМ; процесс, выполняющий в данной ЭВМ, выдал команду рестарта; в многомашинной системе получена команда рестарта от другого компьютера. В любом случае в ЭВМ, получившей команду рестарта, выполняются действия по загрузке операционной системы.

Прерывания ввода/вывода инициируются аппаратурой, обеспечивающей операции ввода и вывода данных. Они сигнализируют центральному процессору об изменении состояния устройств ввода/вывода.

Система ввода-вывода

В состав любой операционной системы входят программные модули, обеспечивающие управление устройствами ввода-вывода ЭВМ. Эти программные модули называют драйверами устройств, а совокупность драйверов ввода-вывода образует систему ввода-вывода, входящую в состав операционной системы.

Драйвер устройства (Device driver) - программа, обеспечивающая взаимодействие операционной системы с физическим устройством.

Система ввода-вывода (Input-Output System) - часть операционной системы, обеспечивающая управление внешними устройствами, подключенными к ЭВМ.

Основной задачей системы ввода-вывода является обеспечение непрерывной организации (планирования, управления) и двусторонней передачи данных между основной памятью и внешними устройствами с целью достижения максимального перекрытия во времени работы этой аппаратуры и процессора.

Состав систем ввода-вывода и, следовательно, перечень драйверов устройств в различных операционных системах не совпадают, что объясняется имеющимися отличиями в аппаратуре ввода-вывода, а также множеством методов, используемых для управления этой аппаратурой. Вместе с тем в большинстве операционных систем существует некоторое ядро системы ввода-вывода, получившее название базовой системы ввода-вывода.

Базовая система ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System) - часть программного обеспечения ЭВМ, поддерживающая управление адаптерами внешних устройств и представляющая стандартный интерфейс для обеспечения переносимости операционных систем между ЭВМ с одинаковым процессором. Базовая система ввода-вывода, как правило, разрабатывается изготовителем ЭВМ, хранится в постоянном запоминающем устройстве и рассматривается как часть ЭВМ.

При построении систем ввода-вывода аппаратура ввода-вывода рассматривается как совокупность аппаратурных процессоров, которые способны работать параллельно и независимо друг от друга, а также относительно центрального процессора. На таких процессорах развиваются так называемые внешние процессы.

Внешние процессы, используя аппаратуру ввода-вывода, могут взаимодействовать как между собой, так и с внутренними процессами, которые развиваются на центральном процессоре. Важным фактом является то, что скорости развития внешних и внутренних процессов существенно различаются, причем эти различия могут достигать нескольких порядков.

Система управления вводом-выводом представляет собой один или несколько системных процессов (т.е. процессов, принадлежащих операционной системе), обеспечивающих информационное и управляющее взаимодействие внутренних и внешних процессов. Через эту систему происходит инициализация, управление развитием и уничтожение внешних процессов.

С точки зрения внутренних (программных) процессов-пользователей система управления вводом-выводом представляет собой программный интерфейс с необходимыми для этих процессов внешними устройствами. В составе этого интерфейса пользователь имеет возможность выражать запросы на выполнение действий в отношении внешних устройств. При этом различают три типа действий: операции чтения и записи данных, операции управления устройством, операции по проверке состояния устройств. При построении систем управления вводом-выводом руководствуются стремлением сделать большинство ее компонентов «невидимыми» для пользователей, что достигается созданием развитых драйверов внешних устройств с понятным интерфейсом и доступными из любой системы программирования.

Для сглаживания эффекта несоответствия скоростей между внутренними и внешними процессами в системах управления вводом-выводом применяют три основных метода: синхронизация по прерываниям ввода-вывода; буферизация ввода-вывода; блокирование данных.

Для синхронизации параллельной работы могут применяться различные методы, среди которых наиболее совершенными являются средства, основанные на использовании системы прерывания. Канал ввода-вывода через систему прерываний прерывает работу центрального процессора всякий раз при завершении операции ввода-вывода или при возникновении ошибки. Такие сигналы прерывания являются по своему смыслу синхронизирующими, т.к. они используются для оповещения определенного внутреннего процесса о событии, которое произошло при работе канала ввода-вывода или внешнего устройства. После возникновения прерывания и определения его причины управление передается на программную систему, которую называют супервизором ввода-вывода.

Супервизор ввода-вывода - часть системы управления вводом-выводом, предназначенный для планирования и организации процессов ввода-вывода.

Буферизация ввода-вывода основана на размещении между внешним и внутренним процессами одного или нескольких буферов, роль которых выполняют, как правило, непрерывные области первичной памяти.

Буфер является критическим ресурсом для связанных с ним внутренних и внешних процессов (рис.5.10). Введение буферов как средства информационного взаимодействия выдвинуло задачу управления буферами, которая решается средствами супервизора ввода-вывода. На супервизор ввода-вывода возлагаются функции по выделению и уничтожению буферов в первичной памяти, синхронизации обращения к буферам внутренних и внешних процессов, устранения одновременного обращения к буферу этих процессов и т.п.

При решении задачи буферизации важным является определение количества буферов, закрепляемых за отдельным каналом или устройством, а также размер области первичной памяти, отводимой под каждый буфер