Александр Кручинин - Операционные системы

• Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контролера прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access). DMA управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контролерами без вмешательства CPU. Процессор обращается к микросхеме DMA, сообщает ей число байтов для передачи, а также адрес устройства и памяти, направление передачи данных. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается обычным порядком.

Рисунок 3 – Действия, выполняемые при запуске устройства ввода-вывода и получении прерывания

Шины

Из-за роста быстродействия процессора и памяти, в систему добавились дополнительные шины как для ускорения общения устройств ввода-вывода, так и для пересылки данных между процессором и памятью. На рисунке 4 приведена схема вычислительной системы первых Pentium.

В этой системе 8 шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE, ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером должны находиться сведения обо всех этих шинах.

Центральный процессор по локальной шине передает данные микросхеме PCIмоста, – который в свою очередь обращается к памяти по выделенной шине. Система Pentium I имеет кэш первого уровня (L1) встроенный в процессор и намного больший кэш второго уровня (L2), подключенный к процессору отдельной шиной кэша. Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств к системе (CD-ROM, жесткий диск).

Рисунок 4 – Структура системы Pentium

Шина USB (Universal Serial Bus) предназначена для присоединения к компьютеру дополнительных устройств ввода-вывода, таких как клавиатура, мышь, принтер, флэш-память и т.д. С течением времени появляются и добавляются новые более быстрые шины.

Единой архитектуры операционных систем не существует, но существуют универсальные подходы к их структурированию. Ниже дано описание двух архитектур операционных систем, выполненное по книге Олифера В.Г., Олифера Н.А. «Сетевые операционные системы» [11].

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

• ядро – модули, выполняющие основные функции операционной системы;

• модули, выполняющие вспомогательные функции операционной системы.

Модули ядра выполняют такие базовые функции операционной системы, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т.п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него она является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами – системными вызовами – для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования – API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы операционной системы все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Некоторые компоненты операционной системы оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной операционной системой формата, поэтому очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями.

Вспомогательные модули операционной системы обычно подразделяются на следующие группы:

• утилиты – программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных на магнитную ленту;

• системные обрабатывающие программы – текстовые или графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики;

• программы предоставления пользователю дополнительных услуг – специальный вариант пользовательского интерфейса, калькулятор и даже игры;

• библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например библиотека математических функций, функций вводавывода и т. д.

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Иначе некорректно работающее приложение может вмешаться в работу системы и, например, разрушить часть ее кодов. Обеспечить привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы – пользовательский режим (user mode) и привилегированный режим, который также называют режимом ядра (kernel mode). На рисунке 5 представлено такое разделение режимов.

Рисунок 5 – Архитектура операционной системы с ядром в привилегированном режиме

Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд, связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами вводавывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти.

Уровней привилегий может быть несколько – 2, 3, 4 и т.д. Между количеством уровней привилегий, реализуемых аппаратно, и количеством уровней привилегий, поддерживаемых операционной системой, нет прямого соответствия. Так, на базе четырех уровней, обеспечиваемых процессорами компании Intel, операционная система OS/2 строит трехуровневую систему привилегий, а операционные системы Windows NT, UNIX и некоторые другие ограничиваются двухуровневой системой.

Повышение устойчивости операционной системы, обеспечиваемое переходом ядра в привилегированный режим, достигается за счет некоторого замедления выполнения системных вызовов. Системный вызов привилегированного ядра инициирует переключение процессора из пользовательского режима в привилегированный, а при возврате к приложению – переключение из привилегированного режима в пользовательский (Рисунок 6). Во всех типах процессоров из-за дополнительной двукратной задержки переключения переход на процедуру со сменой режима выполняется медленнее, чем вызов процедуры без смены режима.