Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Операционные системы и среды

Операционные системы и среды - это специальный уровень программного обеспечения, который отвечает за управление всеми устройствами компьютера и обеспечивает пользователя, имеющими простой, доступный интерфейс, программами для работы с аппаратурой.

В англоязычной технической литературе термин System Software (системное программное обеспечение) означает программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует технические средства компьютера, и применяемые как для автоматизации разработки (создания) новых программ, так и для организации выполнения программ существующих. С этих позиций: системное программное обеспечение может быть разделено на следующие пять групп:

І Операционные системы.

І Системы управления файлами.

І Интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС и программные среды.

І Системы программирования.

І Утилиты.

Рассмотрим вкратце эти группы системных программ.

1. Под операционной системой (ОС) обычно понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой - предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой из компонентов прикладного программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС. На рис. 1 изображена обобщенная структура программного обеспечения вычислительной системы. Видно, что ни один из компонентов программного обеспечения, за исключением самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователи взаимодействуют со своими программами через интерфейс ОС. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала проходят через ОС.

Обобщенная структура программного обеспечения вычислительной системы

Основными функциями, которые выполняет ОС, являются следующие:

o прием от пользователя (или от оператора системы) заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке - в виде директив (команд) оператора или в виде указаний (своеобразных команд) с помощью соответствующего манипулятора (например, с помощью мыши), - и их обработка;

o прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ;

o загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;

o инициация программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу);

o идентификация всех программ и данных;

o обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и / или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения;

o обеспечение режима мультипрограммирования, то есть выполнение двух или более программ на одном процессоре, создающее видимость их одновременного исполнения;

o обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями ввода / вывода;

o удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для соответствующих ОС);

o распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти;

o планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания;

o организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

o защита одной программы от влияния другой; обеспечение сохранности данных;

o предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

o обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

2. Назначение системы управления файлами - организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Именно благодаря системе управления файлами вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем. Как правило, все современные ОС имеют соответствующие системы управления файлами. Однако выделение этого вида системного программного обеспечения в отдельную категорию представляется целесообразным, поскольку ряд ОС позволяет работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (дополнительную систему управления файлами можно установить), и в этом смысле они самостоятельны. Более того, можно назвать примеры простейших ОС, которые могут работать и без файловых систем, а значит, им необязательно иметь систему управления файлами, либо они могут работать с одной из выбранных файловых систем. Надо, однако, понимать, что любая система управления файлами не существует сама по себе - она разработана для работы в конкретной ОС и с конкретной файловой системой. Можно сказать, что всем известная файловая система FAT (file allocation table)¹ имеет множество реализаций как система управления файлами, например FAT-16 для самой MS-DOS, super-FAT для OS/2, FAT для Windows NT

Для удобства взаимодействия с ОС могут использоваться дополнительные интерфейсные оболочки. Их основное назначение-либо расширить возможности по управлению ОС, либо изменить встроенные в систему возможности. В качестве классических примеров интерфейсных оболочек и соответствующих операционных сред выполнения программ можно назвать различные варианты графического интерфейса X Window в системах семейства UNIX (например, К Desktop Environment в Linux), PM Shell или Object Desktop в OS/2 с графическим интерфейсом Presentation Manager; наконец, можно указать разнообразные варианты интерфейсов для семейства ОС Windows компании Microsoft, которые заменяют Explorer и могут напоминать либо UNIX с его графическим интерфейсом, либо OS/2, либо MAC OS. Следует отметить, что о семействе ОС компании Microsoft с общим интерфейсом, реализуемым программными модулями с названием Explorer (в файле system.ini, который находится в каталоге Windows, имеется строка SHELL=EXPLORER.EXE), все же можно сказать, что заменяемой в этих системах является только интерфейсная оболочка, в то время как сама операционная среда остается неизменной; она интегрирована в ОС. Другими словами, операционная среда определяется программными интерфейсами, то есть API (application program interface). Интерфейс прикладного программирования (API) включает в себя управление процессами, памятью и вводом / выводом.

Ряд операционных систем могут организовывать выполнение программ, созданных для других ОС. Например, в OS/2 можно выполнять как программы, созданные для самой OS/2, так и программы, предназначенные для выполнения в среде MS-DOS и Windows 3.x. Соответствующая операционная среда организуется в операционной системе в рамках отдельной виртуальной машины. Аналогично, в системе Linux можно создать условия для выполнения некоторых программ, написанных для Windows 95/98. Определенными возможностями исполнения программ, созданных для иной операционной среды, обладает и Windows NT. Эта система позволяет выполнять некоторые про граммы, созданные для MS-DOS, OS/2 1.x, Windows 3.x. Правда, в своем последнем семействе ОС Windows XP разработчики решили отказаться от поддержки возможности выполнения DOS-программ.

Наконец, к этому классу системного программного обеспечения следует отнести и эмуляторы, позволяющие смоделировать в одной операционной системе какую-либо другую машину или операционную систему. Так, известна система эмуляции WMWARE, которая позволяет запустить в среде Linux любую другую ОС, например Windows. Можно, наоборот, создать эмулятор, работающий в среде Windows, который позволит смоделировать компьютер, работающий под управлением любой ОС, в том числе и под Linux.

Таким образом, термин операционная среда означает соответствующий интерфейс, необходимый программам для обращения к ОС с целью получить определенный сервис - выполнить операцию ввода / вывода, получить или освободить участок памяти и т.д.

3. Система программирования на рис. 1 представлена прежде всего такими компонентами, как транслятор с соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Не бывает самостоятельных (оторванных от ОС) систем программирования. Любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС. Например, одна из популярных систем программирования на языке C/C++ от фирмы Watcom для OS/2 позволяет получать программы и для самой OS/2, и для DOS, и для Windows.

В том случае, когда создаваемые программы должны работать совсем на другой аппаратной базе, говорят о кросс-системах. Так, для ПК на базе микропроцессоров семейства 180x86 имеется большое количество кросс - систем, позволяющих создавать программное обеспечение для различных микропроцессоров и микроконтроллеров.

4. Наконец, под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно как обслуживать саму операционную систему, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить некоторые другие работы, связанные с обслуживанием вычислительной системы. К утилитам следует отнести и программу разбиения накопителя на магнитных дисках на разделы, и программу форматирования и программу переноса основных системных файлов самой ОС. Также к утилитам относятся и небезызвестные комплексы программ от фирмы Symantec, носящие имя Питера Нортона (создателя этой фирмы и соавтора популярного набора утилит для первых IBM PC). Естественно, что утилиты могут работать только в соответствующей операционной среде.

Сервис (service) - обслуживание, выполнение соответствующего запроса.

2. Понятие операционной среды

Операционная система выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной.

Любая программа имеет дело с некоторыми исходными данными, которые она обрабатывает, и порождает в конечном итоге некоторые выходные данные, результаты вычислений. Очевидно, что в абсолютном большинстве случаев исходные данные попадают в оперативную память (с которой непосредственно работает процессор, выполняя вычисления по программе) с внешних (периферийных) устройств. Аналогично и результаты вычислений, в конце концов, должны быть выведены на внешние устройства. Следует заметить, что программирование операций ввода / вывода относится, пожалуй, к наиболее сложным и трудоемким за дачам. Дело в том, что при создании таких программ без использования современных систем программирования, как говорится, «по старинке», нужно знать не только архитектуру процессора (его состав, назначение основных регистров, систему команд процессора, форматы данных и т.п.), но и архитектуру подсистемы ввода / вывода (соответствующие интерфейсы, протоколы обмена данными, алгоритм работы контроллера устройства ввода / вывода и т.д.). Именно поэтому развитие системного программирования и самого системного программного обеспечения пошло по пути выделения наиболее часто встречающихся операций и создания для них соответствующих программных модулей, которые можно в дальнейшем использовать в большинстве вновь создаваемых программ.

Например, в далекие пятидесятые годы, на заре развития вычислительных систем, при разработке первых систем программирования прежде всего создавали программные модули для подсистемы ввода / вывода, а уже затем - вычисления часто встречающихся математических операций и функций. Благодаря этому при создании прикладных программ программисты могли просто обращаться к соответствующим функциям ввода / вывода и иным функциям и процедурам, что избавляло их от необходимости каждый раз создавать все программные компоненты «с нуля» и от необходимости знать во всех подробностях особенности работы контроллеров ввода / вывода и соответствующих интерфейсов.

Следующий шаг в автоматизации создания готовых к выполнению машинных двоичных программ заключался в том, что транслятор с алгоритмического языка более высокого уровня, нежели первые ассемблеры, уже сам мог подставить вместо высокоуровневого оператора типа READ или WRITE все необходимые вызовы к готовым библиотечным программным модулям. Состав и количество библиотек систем программирования постоянно увеличивались. В конечном итоге воз никла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программ ной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система (ОС), а набор ее функций, сервисов и правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Таким об разом, можно сказать, что термин операционная среда означает, прежде всего, соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы.

Можно спросить: а чем отличаются системные программные модули, реализующие основные системные функции, от тех программных модулей, что пишутся прикладными программистами? Ответ простой: тем, что эти модули, как правило, используются всеми прикладными программами. Поэтому нет особого смысла на этапе создания машинной двоичной программы (которую и исполняет процессор) присоединять соответствующие системные программные модули к телу программы. Выгоднее просто обращаться к этим программным модулям, указы имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использовать различные «оболочки» - shell), интерфейс наподобие Norton Commander - Midnight Commander, так и графические интерфейсы - Х-Window с различными менеджерами окон - KDE, Gnome и т.д. Если же говорить о программных интерфейсах, то в той же ОС Linux программы могут обращаться как к операционной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графической подсистеме (если она используется). С точки зрения архитектуры процессора (и всего ПК в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, созданная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обращение к одной операционной среде, а во втором - к другой. И программа, созданная для Windows непосредственно, не будет выполняться в Linux; однако если в ОС Linux организовать полноценную операционную среду Windows, то наша Windows-программа сможет быть выполнена. Можно сказать, что операционная среда - это то системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.

3. Понятие вычислительного процесса и ресурса

Понятие «вычислительный процесс» (или просто - «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие, процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующего неформального определения, приведенного в работе [37]. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей»*) - это выполнение отдельной программы с ее данными на последовательном процессоре. Концептуально процессор рассматривается в двух аспектах: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он (одновременно) выполняет операции, связанные с их обработкой.

В качестве примеров можно назвать следующие процессы (задачи): выполнение прикладных программ пользователей, утилит и других системных обрабатывающих программ. Процессами могут быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, ее компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной программы - другим процессом, поскольку, хотя транслятор как объединение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

Определение концепции процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут их использовать одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (в течение некоторого интервала времени процессы используют ресурс попеременно), а могут быть и неделимыми.

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода / вывода и периферийные устройства [50, 89]. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для системы как объекты, которые могут разделяться и распределяться, и доступ к которым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, как ресурс стали толковать и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в известной работе Яноша Джон фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода / вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления. Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения разделения ресурсов CPU¹. Однако необходимо осознать тот факт, что процессор один на всех, а потоков много. Если в вашей программе главная процедура передает нечто для обработки в низкоприоритетный поток, то сама программа становится просто неуправляемой.

4. Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать непродуктивно, если вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам. Блокировка и критические секции отнюдь не увеличивают скорость работы системы, хотя без использования этих механизмов взаимодействующие вычисления организовывать нельзя.

5. Помните, что память виртуальна. Механизм виртуальной памяти (см. раздел «Память и отображения, виртуальное адресное пространство», глава 2) следит за тем, какая часть виртуального адресного пространства должна находиться в оперативной памяти, а какая должна быть сброшена в файл подкачки. Потоки усложняют ситуацию, если они обращаются в одно и то же время к разным адресам виртуального адресного пространства приложения. Это значительно увеличивает нагрузку на систему, особенно при небольшом объеме кэш-памяти. Помните, что реально память не всегда «свободна», как это пишут в информационных «окошках» «О системе». Всегда отождествляйте доступ к памяти с доступом к файлу на диске и создавайте приложение с учетом вышесказанного.

6. Всякий раз, когда какой-либо из ваших потоков пытается воспользоваться общим ресурсом вычислительного процесса, которому он принадлежит, вы обязаны тем или иным образом легализовать и защитить свою деятельность. Хорошим средством для этого являются критические секции, семафоры и очереди сообщений. Если вы протестировали свое приложение и не обнаружили ошибок синхронизации, то это еще не значит, что их там нет. Пользователь может создать самые непредсказуемые ситуации. Это очень ответственный момент в разработке многопоточных приложений.

7. Не возлагайте на поток несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения, его алгоритм. Чем проще и менее многозначна каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать.

4. Прерывания

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, прерывание - это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее - к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

CPU (central processing unit) - центральное обрабатывающее устройство или просто процессор. Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувеличения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислительной техники. Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы:

Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется повторно, на шаге 4).

Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определяется прежде всего значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP - указателем команды [2, 22, 84]), содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.

Управление аппаратно передается подпрограмме обработки прерывания. В простейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры - информация из слова состояния. В более развитых процессорах, например в том же i80286 и последующих 32-битовых микропроцессорах, начиная с i80386, осуществляется достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствующей подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора (см. раздел «Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i80x86», глава 3).

Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислительных системах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванного процесса.

5. Обработка прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 - программно.

На рис. 1.4 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передается программе обработки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения программы обработки прерывания управление возвращается прерванной ранее программе посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам, о чем будет более подробно написано ниже.

Обработка прерывания

Итак, главные функции механизма прерываний:

распознавание или классификация прерываний;

передача управления соответственно обработчику прерываний;

корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке - system stack.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:

· прерывания от таймера;

· прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу / выводу);

· прерывания по нарушению питания;

· прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

· прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:

при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);

при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;

при делении на нуль;

при переполнении или исчезновении порядка;

при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Могут еще существовать прерывания при обращении к супервизору ОС - в некоторых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользователи. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором эти привилегированные команды не исполняются. При попытке использовать команду, запрещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание и управление передается супервизору ОС. К привилегированным командам относятся и команды переключения режима работа центрального процессора.

Наконец, существуют собственно программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.

Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре; они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания. Очевидно, что прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации).

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерывания. Программное управление этими средствами (существуют специальные команда для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу, откладывать их обработку на некоторое время или полностью игнорировать. Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.

Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:

с относительными приоритетами, то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслуживания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;

с абсолютными приоритетами, то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса;

по принципу стека, или, как иногда говорят, по дисциплине LCFS (last come first served - последним пришел - первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маски ни на один сигнал прерывания и не выключать систему прерываний.

Следует особо отметить, что для правильной реализации последних двух дисциплин нужно обеспечить полное маскирование системы прерываний при выполнении шагов 1-4 и 6-7. Это необходимо для того, чтобы не потерять запрос и правильно его обслужить. Многоуровневое прерывание должно происходить на этапе собственно обработки прерывания, а не на этапе перехода с одного процесса на другой.

Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами), предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения за дачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет ОС (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Поэтому в состав любой ОС реального времени прежде всего входят программы управления системой прерываний, контроля состояний задач и событий, синхронизации задач, средства распределения памяти и управления ею, а уже потом средства организации данных (с помощью файловых систем и т.д.). Следует, однако, заметить, что современная ОС реального времени должна вносить в аппаратно-программный комплекс нечто большее, нежели просто обеспечение быстрой реакции на прерывания.

Как мы уже знаем, при появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывания разрешены, управление передается на соответствующую подпрограмму обработки. В подпрограмме обработки прерывания имеются две служебные секции. Это - первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерванной задачи, который не смог быть сохранен на 2-м шаге, и последняя, заключительная секция, в которой, наоборот, осуществляется восстановление контекста. Для того чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание, она обычно автоматически «закрывает» (отключает) прерывания, поэтому необходимо потом в подпрограмме обработки прерываний вновь включать систему прерываний. Установка рассмотренных режимов обработки прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами, и по правилу LCFS) осуществляется в конце первой секции подпрограммы обработки. Таким образом, на время выполнения центральной секции (в случае работы в режимах с абсолютными приоритетами и по дисциплине LCFS) прерывания разрешены. На время работы заключительной секции подпрограммы обработки система прерываний должна быть отключена и после восстановления контекста вновь включена. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный программный модуль, называемый супервизором прерываний.

Супервизор прерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычисли тельного процесса. Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Наконец, перед тем как передать управление этой подпрограмме, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается супервизору, на этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач. И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени (между выполняющимися процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор.

Здесь нет непосредственного возврата в прерванную ранее программу прямо из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямого непосредственного возврата достаточно адрес возврата сохранить в стеке, что и делает аппаратура процессора. При этом стек легко обеспечивает возможность возврата в случае вложенных прерываний, поскольку он всегда реализует дисциплину LCFS (last come - first served).

Однако, если бы контекст процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно реализуется аппаратурой, а не в описанных выше дескрипторах задач, то у нас не было бы возможности гибко подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессор после завершения работы подпрограммы обработки прерывания. Естественно, что это только общий принцип. В конкретных процессорах и в конкретных ОС могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и / или дополнения к ней. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере, его часть) становится структурой данных, которую поддерживает аппаратура.

Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассматриваемых далее современных ОС необходимо знать архитектуру персональных компьютеров и, в частности, особенности системы прерывания. Этот вопрос более подробно рассмотрен в главе 4 «Управление вводом / выводом и файловые системы», посвященном архитектуре микропроцессоров i80x86.

операционный файл вычислительный прерывание

Размещено на Allbest.ru