Александр Кручинин - Операционные системы
Поскольку все виды контроллеров отличаются, то для них требуется разное программное обеспечение. Программа, которая общается с контроллером, – драйвер устройства. Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых операционных систем. Для использования драйвера его нужно установить в операционную систему так, чтобы он мог работать в режиме ядра. Есть три способа установки драйвера в ядро [14]:
• заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить операционную систему (так работает множество операционных систем Unix);
• создать запись во входящем в операционную систему файле, говорящую о том, что требуется драйвер и затем перезагрузить систему; во время начальной загрузки операционная система сама находит нужные драйверы и загружает их (так работает Windows);
• операционная система может принимать новые драйверы, не прерывая работы, и оперативно устанавливать их, не нуждаясь в перезагрузке. Этот способ становится все более и более распространенным. Такие устройства как шины USB, IEEE 1394 всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.
Ввод-вывод данных можно осуществлять тремя различными способами [14].
• Простейший способ: пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры, соответствующей драйверу, затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В этом время он выполняет короткий программный цикл, постоянно опрашивая устройство, с которым он работает. При завершении операций ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод – ожидание готовности (активное ожидание). Он имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство, пока оно не завершит работу.
• Драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывания по окончании ввода-вывода; после этого драйвер возвращает управление операционной системе, и она начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание о завершении операции. Процесс ввода-вывода, использующий прерывания, состоит из четырех шагов (Рисунок 3). На первом шаге драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройств. Затем контроллер запускает устройство. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний, используя определенные провода шины. Это шаг второй. На третьем шаге если контроллер прерываний готов к обработке прерываний, то он подает сигнал на определенный контакт CPU, информируя его таким образом. На четвертом шаге контроллер прерываний вставляет номер устройства на шину, чтобы центральный процессор мог узнать, какое устройство завершило работу.
• 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.
1.5 Архитектура операционной системы
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].
1.5.1 Классическая архитектура
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.
