Основные концепции операционных систем Обзор компьютерных систем

Рисунок 1.1. Компоненты компьютерных систем

Все современные компьютерные системы построены по трём принципам Джона фон Неймана: программного управления, однородности памяти и адресности. Эти принципы можно раскрыть следующим образом: программа, состоящая из набора команд, и исходные данные хранятся в общей памяти, каждая ячейка которой имеет свой адрес (набор всех адресов, к которым может обращаться программа, называется адресным пространством); каждая команда вместе с данными выбирается из памяти и исполняется процессором, выбор команды осуществляется с помощью специального счётчика команд, который содержит в себе адрес исполняемой в данный момент команды; команды расположены в памяти друг за другом, за счёт чего организуется последовательная выборка из памяти цепочки команд.

На основании этого можно выделить три основных структурных элемента компьютера (см. Рисунок 1.1, «Компоненты компьютерных систем»):

Процессор

Осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функцию обработки данных согласно программе. В современных системах может быть один и больше центральных процессоров.

Основная память

В ней хранятся программы и данные. Как правило является временной (информация сохраняется, пока подаётся питание).

Устройства ввода-вывода

Служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из периферийных устройств, в число которых входят внешняя память, коммуникационное оборудование, терминалы.

Перечисленные компоненты вычислительной системы объединяются с помощью системной шины. Термином шина принято обозначать структуры и механизмы, обеспечивающие взаимодействие между разными компонентами системы, в данном случае — процессором, основной памятью и устройствами ввода-вывода.

Рисунок 1.2. Центральный процессор

Центральный процессор извлекает программу из памяти, декодирует и исполняет машинные команды. Обычно команды исполняются последовательно, но иногда возможны переходы к другим участкам программы, например, по заданному условию.

В каждый момент времени процессор может испонять только одну программу. Многие современные операционные системы относятся к многозадачным, т. е. в системе одновременно может исполняться несколько задач, число которых заранее неизвестно. Так как число процессоров конечно, необходимы алгоритмы, позволяющие чередовать исполнения процессов так, чтобы каждый из них получал процессорное время. Этот подход называется псевдопараллелизмом (см. Рисунок 1.2, «Центральный процессор»): каждому процессу выделяется квант процессорного времени, по истечении которого управление передается другому процессу (это действие называют переключением контекста). Также управление может быть передано другому процессу, если исполняемый процесс ожидает появления некоего системного ресурса, например, завершения операции ввода-вывода.

В случае многопроцессорных компьютеров принцип остаётся прежним — на каждом процессоре исполняется только один процесс в каждый момент времени, повышение эффективности достигается «экстенсивным путём», за счёт нескольких одновременно работающих процессоров. Логика алгоритмов псевдопараллелизма несколько усложняется на многопроцессорных архитектурах за счёт необходимости балансировать нагрузку между несколькими процессорами, минимизируя время простоя каждого. Это означает, что каждый следующий квант процессорного времени может быть выдан процессу на любом из доступных процессоров.

Рисунок 1.3. Иерархия видов памяти

Конфигурация памяти компьютера определяется в основном тремя параметрами: объём, быстродействие, стоимость. Очевидно, между этими противоречивыми характеристиками существует компромисс, который представляет собой иерархию памяти (см. Рисунок 1.3, «Иерархия видов памяти»). Таким образом, к дорогим устройствам с высокой производительностью и малым объёмом добавляются дешёвые устройства с меньшей скоростью доступа и большим объёмом. При этом ярко выражена функция каждого из уровней: регистровая память хранит операнды команд, кэш используется для хранения самых используемых участков памяти, основная память хранит исполняющиеся программы, внешняя — сохраняет данные и программы между запусками.

Особое значение имеет основная память — в ней хранятся все исполняющиеся программы и данные к ним. Программа может обращаться к любой ячейке памяти из доступного множества (которое называется адресным пространством). Существует несколько видов адресных пространств: реальные (соответствуют ячейкам физической памяти или портам ввода-вывода) и виртуальные (определённым образом проецируемые на реальные адресные пространства). В современных операционных системах каждый процесс обладает своим собственным адресным пространством, так что не может нанести вред памяти других процессов.

Рисунок 1.4. Управление вводом-выводом

Современные компьютеры состоят из большого числа узлов. С аппаратной точки зрения, внешние устройства — это все компоненты компьютера за исключением процессора и оперативной памяти. Взаимодействие с внешними устройствами (или устройствами ввода-вывода) осуществляется через специальные устройства, которые называются шинами и представляют собой по сути набор проводов с заданными характеристиками и правилами использования. В современных компьютерах как правило одновременно представлено несколько шин: например, PCI, PCI-Express, USB.

Взаимодействие с устройствами ввода-вывода может происходить тремя способами: программируемый ввод-вывод, ввод-вывод с помощью прерываний, прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA).

В первом случае процессор явно обращается к контроллеру внешнего устройства, вызывая управляющие команды и обмениваясь данными. Так как скорость работы процессора значительно превышает скорость работы внешних устройств, при таком способе обмена простои в работе процессора будут очень велики. Для избегания этой ситуации используется механизм прерываний: выполнение программы в процессоре может быть прервано, когда данные на внешнем устройстве готовы для чтения или записи — при этом запускается специальная функция-обработчик прерывания, затем выполнение исходной программы возобновляется. При использовании прямого доступа к памяти, процессор не участвует в процессе ввода-вывода — за копированием данных из устройства в основную память следит специальный контроллер прямого доступа к памяти.