Мультипрограммный режим.
Естественно, для предложенного подхода возникает вопрос, какие аппаратные средства необходимы для корректного функционирования указанной системы. Под корректным функционированием мы будем понимать, что в независимости от степени мультипрограммирования (от количества обрабатываемых в системе программ) результат работы конкретной программы не зависит от наличия и деятельности других программ. Чтобы понять, какие требования предъявляются подобным системам, разберем сначала, какие трудности и проблемы могут возникнуть при мультипрограммном режиме.
Первая проблема, которая может возникнуть, — это влияние программ друг на друга. Очень нежелательна ситуация, когда одна программа может обратиться в адресное пространство другой программы и считать оттуда данные (поскольку все-таки необходимо обеспечивать конфиденциальность информации), и уж совсем плоха ситуация, когда другая программа может что-то записать в чужое адресное пространство. Соответственно, для корректного мультипрограммирования система должна обеспечивать эксклюзивное владение программ выделенными им участками памяти. Если возникает задача обеспечения множественного доступа к памяти, то это должно осуществляться с согласия владельца этой памятью. Итак, первое требование к системе — это наличие т.н. аппарата защиты памяти. Сразу отметим, что режим защиты памяти нельзя делать чисто программным способом, поскольку если данный режим будет обеспечивать операционная система (т.е. каждый раз сравнивать получаемый исполнительный адрес, не вышел ли он за границы дозволенного программе диапазона адресов), то производительность вычислительной системы в целом будет крайне низкой.
Реализация аппарата защиты памяти может быть достаточно простой: в процессоре могут быть специальные регистры (регистры границ), в которых устанавливаются границы диапазона доступных для исполняемой задачи адресов оперативной памяти. Соответственно, когда устройство управления в центральном процессоре вычисляет очередной исполнительный адрес (это может быть адрес следующей команды или же адрес необходимого операнда), автоматически проверяется, принадлежит ли полученный адрес заданному диапазону. Если адрес принадлежит диапазону, то продолжается обработка задачи, иначе же в системе возникает прерывание (т.н. прерывание по защите памяти). Отметим, что предложенная модель в реальной аппаратуре может быть реализована множеством способов, но главное, что при постановке программы на обработку операционная система (программным способом) задает значения указанных регистров границ, а дальнейшая проверка адресов осуществляется аппаратным способом.
Рассмотрим следующий круг возникающих при мультипрограммном режиме проблем. Предположим, в нашей мультипрограммной системе имеется единственное печатающее устройство, и есть несколько программ, которые выводят свои данные на печать данному устройству. Соответственно, если каждая программа будет иметь доступ к командам управления конечных физических устройств, то при совместной работе в режиме мультипрограммирования эти программы будут вперемешку обращаться к печатающему устройству и печатать на нем порции своих данных, что в итоге приведет к невозможности интерпретации напечатанной информации.
Другим примером может служить только что обсуждавшийся механизм защиты памяти. Значения указанных регистров границ устанавливаются посредством специальных машинных команд. Представьте ситуацию, когда к указанным командам смогут обращаться произвольные программы: тогда смысла в аппарате защиты памяти просто не будет — любая программа сможет обойти этот режим подменой своих регистров границ.
Рассмотрение представленных примеров должно наводить на мысль, что система должна каким-то способом ранжировать и в соответствии с этим ранжированием ограничивать доступ пользователей различных категорий к машинным командам. Решением стала аппаратная возможность работы центрального процессора в двух режимах: в режиме работы операционной системы (или привилегированном режиме, или режиме супервизора) и в пользовательском режиме (или непривилегированном режиме, еще раньше использовался термин математического режима). В режиме работы ОС процессор исполняет абсолютно все команды, представленные в программе. Если же программа исполняется в пользовательском режиме, то ей доступны для исполнения лишь некоторое подмножество машинных команд (если же при обработке такой программы встретится недопустимая команда, то в системе возникнет прерывание по запрещенной команде).
Тогда возникает вопрос, что должна делать программа, обрабатываемая в пользовательском режиме, для печати, например, своих данных. Решений здесь может быть достаточно много, одним из которых может быть наличие в системе специальных команд, интерпретируемых как обращения к операционной системе (которые в некоторых системах рассматриваются как прерывания, в других системах — не как прерывания; мы будем рассматривать их как прерывания по обращению к операционной системе). Тогда программа, работающая в непривилегированном режиме, может вызывать команды обращения к операционной системе, а через параметры, положим, передавать необходимые данные, которые могут свидетельствовать о желании данной программы распечатать какую-то информацию на устройстве печати. Тогда схема организации печати данных на устройстве печати может выглядеть следующим образом. Операционная система получает от пользователей (т.е. от пользовательских программ) заказы на печать, и для каждой из программы она формирует некоторую таблицу или область памяти, в которой будет аккумулироваться информация, которую необходимо вывести на принтер. Тогда каждый запрос программ на печать порции данных не является реальным обращением к устройству печати, но свидетельствует лишь о том, что передаваемая порция данных должна быть распечатана, а ОС их аккумулирует. Реальная печать будет осуществляться при возникновении одного из трех событий. Во-первых, программа, посылающая данные на печать, успешно завершилась. Это означает, что гарантированно она не будет более посылать данные на печать. Во-вторых, в программе обнаружилась фатальная ошибка, что ведет к безусловному завершению этой программы, что опять-таки гарантирует отсутствие будущих запросов данной программы на печать. И, в-третьих, операционная система может получить (от некоторого виртуального оператора, т.н. планировщика) команду разгрузить буфер печати данной конкретной программы.
И, наконец, еще одна серьезная проблема, которая может возникнуть при организации мультипрограммного режима, связана с тем, что в выполняемой в текущий момент программе встретилась семантическая ошибка — программа зациклилась. Соответственно, если в этом цикле не встречаются команды, которые могут привести к тем или иным прерываниям, то в этом случае вся вычислительная система «зависает»: никакие новые задачи не ставятся на счет и пр. Решение данной проблемы может быть довольно простым: необходима функция управления временем. Это означает, что операционная система должна контролировать время использования центрального процессора программами пользователя. Для этих целей компьютеру требуется прерывание по таймеру. Резюмируя, можно сказать, что для реализации мультипрограммного режима необходимо наличие аппарата прерываний, и этот аппарат, как минимум, должен включать в себя аппарат прерывания по таймеру. В этом случае зацикленная программа будет периодически прерываться, управление периодически будет попадать операционной системе, что даст возможность поставить на счет другую программу либо снять со счета (например, по команде пользователя) эту зависшую программу.
Итак, требуются три аппаратных средства компьютера, необходимых для поддержки мультипрограммного режима: аппарат защиты памяти, специальные режимы исполнения команд и аппарат прерываний, состоящий, как минимум, из аппарата прерывания по таймеру. Отметим, что специальных режимов может быть больше двух: т.е. часть команд доступна всем программам, часть команд могут выполняться лишь в защищенном режиме, еще часть — в более защищенном режиме, и т.д.
Может возникнуть резонный вопрос, как происходит включение режима супервизора. Ответ здесь будет зависеть от архитектуры конкретной системы. Например, в некоторых архитектурах считается, что операционная система занимает некоторое предопределенное адресное пространство физической памяти. И если управление попадает на эту область, то включается режим операционной системы. А вот выключение режима операционной системы может происходить программно: например, операционная система, запуская процесс, может предварительно программным способом установить его в непривилегированный режим.
- Содержание
- 1 Введение 5
- 2 Управление процессами 87
- 3 Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix 114
- 4 Файловые системы 152
- 4.1 Основные концепции 152
- 5 Управление оперативной памятью 181
- 6 Управление внешними устройствами 196
- Введение
- Пакетная обработка заданий.
- Развитие языков и систем программирования.
- Этапы эволюции.
- Основы архитектуры вычислительной системы
- Структура вс
- Структура вычислительной системы.
- Аппаратный уровень вс
- Управление физическими ресурсами вс
- Пример зависимости от драйвера.
- Управление логическими/виртуальными ресурсами
- Системы программирования
- Этапы проектирования.
- Кодирование.
- Тестирование.
- Каскадная модель.
- Каскадная итерационная модель.
- Спиральная модель.
- Прикладные системы
- Первый этап развития прикладных систем.
- Второй этап развития прикладных систем.
- Третий этап развития прикладных систем.
- Пакет программ Microsoft Office.
- Пакет MathCad.
- Система BaaN.
- Выводы, литература
- Структура организации вычислительной системы.
- Основы компьютерной архитектуры
- Структура, основные компоненты
- Структура компьютера фон Неймана.
- Базовая архитектура современных компьютеров.
- Оперативное запоминающее устройство
- Ячейка памяти.
- Контроль четности.
- Озу без расслоения памяти — один контроллер на все банки.
- Озу с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.
- Центральный процессор
- Структура организации центрального процессора.
- Регистровая память
- Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
- Общая схема работы кэШа.
- Аппарат прерываний
- Использование иерархической модели регистров прерывания.
- Использование вектора прерываний.
- Этап программной обработки прерываний.
- Внешние устройства
- Внешние устройства.
- Внешние запоминающие устройства
- Магнитная лента.
- Принцип устройства магнитного диска.
- Принцип устройства магнитного барабана.
- Принцип устройства памяти на магнитных доменах.
- Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
- Синхронная и асинхронная работа с ву.
- Потоки данных. Организация управления внешними устройствами
- Непосредственное управление центральным процессором внешнего устройства.
- Синхронное/асинхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.
- Использование контроллера прямого доступа к памяти (dma) или процессора (канала) ввода-вывода при обмене.
- Иерархия памяти
- Иерархия памяти.
- Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
- Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
- Мультипрограммный режим.
- Проблемы, возникающие при исполнении программ
- Вложенные обращения к подпрограммам.
- Перемещаемость программы по озу.
- Фрагментация памяти.
- Регистровые окна
- Регистровые окна.
- Регистровые окна. Вход и выход из подпрограммы.
- Системный стек
- Системный стек.
- Виртуальная память
- Страничная организация памяти.
- Страничная организация памяти. Преобразование виртуального адреса в физический.
- Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.
- Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
- Классификация мкмд.
- Numa-система.
- Терминальные комплексы (тк)
- Терминальные комплексы.
- Компьютерные сети
- Компьютерные сети.
- Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель iso/osi
- Модель организации взаимодействия в сети iso/osi.
- Логическое взаимодействие сетевых устройств по I-ому протоколу.
- Семейство протоколов tcp/ip. Соответствие модели iso/osi
- Семейство протоколов tcp/ip.
- Взаимодействие между уровнями протоколов tcp/ip.
- Система адресации протокола ip.
- Маршрутизация дейтаграмм.
- Основы архитектуры операционных систем
- Структура ос
- Структурная организация ос.
- Структура ос с монолитным ядром.
- Структура ос с микроядерной архитектурой.
- Логические функции ос
- Типы операционных систем
- Структура сетевой ос.
- Структура распределенной ос.
- Управление процессами
- Основные концепции
- Модели операционных систем
- Типы процессов
- Типы процессов: однонитевая (а) и многонитевая (б) организации.
- Контекст процесса
- Реализация процессов в ос Unix
- Процесс ос Unix
- Разделение сегмента кода.
- Базовые средства управления процессами в ос Unix
- Пример использования системного вызова fork().
- Пример использования системного вызова execl().
- Пример использования схемы fork-exec.
- Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
- Жизненный цикл процессов.
- Формирование процессов 0 и 1
- Формирование нулевого и первого процессов.
- Инициализация системы.
- Планирование
- Взаимодействие процессов
- Разделяемые ресурсы и синхронизация доступа к ним
- Гонка процессов.
- Пример тупиковой ситуации (deadlock).
- Способы организации взаимного исключения
- Пример двоичного семафора.
- Классические задачи синхронизации процессов
- Обещающие философы.
- Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix
- Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ос Unix
- Способы организации взаимодействия процессов.
- Сигналы
- Неименованные каналы
- Именованные каналы
- Модель межпроцессного взаимодействия «главный–подчиненный»
- Общая схема трассировки процессов.
- Система межпроцессного взаимодействия ipc (Inter-Process Communication)
- Очередь сообщений ipc
- Очередь сообщений ipc.
- 0666 Определяет права доступа */
- Разделяемая память ipc
- Массив семафоров ipc
- Int val; /* значение одного семафора */
- Сокеты — унифицированный интерфейс программирования распределенных систем
- Файловые системы
- Основные концепции
- Структурная организация файлов
- Атрибуты файлов
- Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
- Модель одноуровневой файловой системы.
- Модель двухуровневой файловой системы.
- Модель иерархической файловой системы.
- Подходы в практической реализации файловой системы
- Структура «системного» диска.
- Модели реализации файлов
- Модель непрерывных файлов.
- Модель файлов, имеющих организацию связанного списка.
- Модели реализации каталогов
- Модели организации каталогов.
- Соответствие имени файла и его содержимого
- Пример жесткой связи.
- Пример символической связи.
- Координация использования пространства внешней памяти
- Квотирование пространства файловой системы
- Квотирование пространства файловой системы.
- Надежность файловой системы
- Проверка целостности файловой системы
- Проверка целостности файловой системы. Непротиворечивость файловой системы соблюдена.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксирована пропажа блока.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование свободного блока.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование занятого блока.
- Проверка целостности файловой системы. Контроль жестких связей.
- Примеры реализаций файловых систем
- Организация файловой системы ос Unix. Виды файлов. Права доступа
- Логическая структура каталогов
- Логическая структура каталогов.
- Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V
- Структура файловой системы версии System V.
- Работа с массивами номеров свободных блоков
- Работа с массивами номеров свободных блоков.
- Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
- Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
- Индексные дескрипторы.
- Адресация блоков файла.
- Файл-каталог
- Файл-каталог.
- Установление связей.
- Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
- Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (ffs) bsd
- Структура файловой системы версии ffs bsd.
- Стратегии размещения
- Стратегия размещения последовательных блоков файлов.
- Внутренняя организация блоков
- Внутренняя организация блоков (блоки выровнены по кратности).
- Выделение пространства для файла
- Выделение пространства для файла.
- Структура каталога ffs
- Структура каталога ffs bsd.
- Блокировка доступа к содержимому файла
- Управление оперативной памятью
- Одиночное непрерывное распределение
- Одиночное непрерывное распределение.
- Распределение неперемещаемыми разделами
- Распределение неперемещаемыми разделами.
- Распределение перемещаемыми разделами
- Распределение перемещаемыми разделами.
- Страничное распределение
- Страничное распределение.
- Иерархическая организация таблицы страниц.
- Использование хеш-таблиц.
- Инвертированные таблицы страниц.
- Замещение страниц. Алгоритм «Часы».
- Сегментное распределение
- Сегментное распределение.
- Сегментно-страничное распределение
- Сегментно-страничное распределение. Упрощенная модель Intel.
- Управление внешними устройствами
- Общие концепции
- Архитектура организации управления внешними устройствами
- Модели управления внешними устройствами: непосредственное (а), синхронное/асинхронное (б), с использованием контроллера прямого доступа или процессора (канала) ввода-вывода.
- Программное управление внешними устройствами
- Иерархия архитектуры программного управления внешними устройствами.
- Планирование дисковых обменов
- Планирование дисковых обменов. Модель fifo.
- Планирование дисковых обменов. Модель lifo.
- Планирование дисковых обменов. Модель sstf.
- Raid 2. Избыточность с кодами Хэмминга (Hamming, исправляет одинарные и выявляет двойные ошибки).
- Raid 3. Четность с чередующимися битами.
- Raid 5. Распределенная четность (циклическое распределение четности).
- Работа с внешними устройствами в ос Unix
- Файлы устройств, драйверы
- Системные таблицы драйверов устройств
- Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
- Включение, удаление драйверов из системы
- Организация обмена данными с файлами
- Организация обмена данными с файлами.
- Буферизация при блок-ориентированном обмене
- Борьба со сбоями