Лекции по операционным системам, страница 5

Вернемся к вопросу, который в той или иной степени затрагивался при рассмотрении каждого из уровней ВС. Как представляется вычислительная система пользователя ВС на каждом из уровней? Что видит или что доступно пользователю ВС, который находится на одном из уровней структурной организации вычислительной системы? Рассмотрим еще раз уровни структурной организации ВС с позиций обозначенных вопросов (Рис. 19.).

1. Структура организации вычислительной системы.

Аппаратный уровень. Пользователь вычислительной системы — программист. Доступные средства программирования: система команд компьютера, аппаратные интерфейсы программного управления внешними устройствами. Таким образом, пользователь ВС, находясь на уровне аппаратуры, работает с конкретным компьютером.

Уровень управления физическими ресурсами. На данном уровне пользователем системы также является программист. Средства программирования, которые предоставляются пользователю на данном уровне, претерпели изменения, т.к. кроме возможности работы с системой команд компьютера, с аппаратными интерфейсами программного управления внешними устройствами пользователю предоставляются интерфейсы драйверов физических устройств (ресурсов) компьютера. С позиций программиста, он работает с компьютером, имеющим расширенные, по сравнению с предыдущим уровнем, возможности. Кроме стандартных аппаратных средств программирования компьютера (система команд, аппаратные интерфейсы взаимодействия с физическими внешними устройствами) появились интерфейсы драйверов физических устройств (ресурсов) компьютера.

Уровень управления логическими или виртуальными ресурсами. На данном уровне структурной организации вычислительной системы спектр средств программирования расширяется за счет интерфейсов драйверов виртуальных/логических устройств (или ресурсов). В общем случае, для программиста, работающего с системой на данном уровне, средства программирования компьютера представляются:

• системой команд компьютера;

• аппаратными интерфейсами программного управления физическими устройствами;

• интерфейсами драйверов физических устройств;

• интерфейсами драйверов виртуальных устройств.

Операционная система может ограничить доступ пользователей к аппаратным средствам управления внешними устройствами, к драйверам физических устройств, к некоторым драйверам виртуальных устройств. Однако, "условный" пользователь уровня управления виртуальными устройствами вычислительной системы работает с компьютером, имеющим расширенные возможности. При этом пользователь может не знать о том, какие устройства, используемые в его программе, являются физическими, реально существующими, а какие — виртуальными. А даже если он и знает, что какое-то устройство является, к примеру, физическим, то, скорее всего, он не имеет никакого представления о деталях организации управления этого устройства на уровне аппаратных интерфейсов.

Уровень систем программирования. Для иллюстрации проблемы упростим структуру системы программирования, рассмотрим практически вырожденный случай. Пусть система программирования, с которой работает пользователь ВС, состоит только из транслятора языка высокого уровня и стандартной библиотеки программ, — например, языка Си. В этом случае представление пользователя о компьютере, на котором он работает, может свестись к языковым конструкциям языка Си и возможностям, предоставляемым стандартной библиотекой языка Си. Происходит очередное "расширение" возможностей компьютера за счет конструкций языка Си и его стандартной библиотеки. Более того, пользователь может работать на данном "расширенном" компьютере, не подозревая о реальной архитектуре аппаратного уровня ВС, о физических и виртуальных устройствах, поддерживаемых операционной системой, о системе команд и внутренней организации данных реального компьютера.

Уровень прикладных систем. Тенденция "расширения" возможностей компьютера продолжается и на прикладном уровне. При этом для каждой категории пользователей прикладного уровня вычислительной системы существует свое расширение компьютера. Так, например, для оператора прикладной системы компьютер представляется набором функциональных средств прикладной системы, доступной через пользовательский интерфейс. Рассмотрим работу кассира в современном супермаркете, кассовый аппарат которого может являться специализированным персональным компьютером, работающим в составе системы автоматизации деятельности всего магазина. Для кассира работа с этим компьютером и, соответственно, возможности этого компьютера представляются в виде возможностей прикладной подсистемы, автоматизирующей его рабочее место. Заведомо кассир магазина может не иметь никаких представлений о внутренней организации специализированной вычислительной системы, на которой он работает (тип компьютера, тип операционной системы, состав драйверов ОС и т.п.).

Не будет преувеличением утверждение, что не менее 90% современных пользователей персональных компьютеров не имеют представления о системе команд компьютера, о структуре компьютерных данных, об аппаратных интерфейсах управления физическими устройствами — все это скрывают расширения компьютера, которые образуются за счет соответствующих уровней вычислительной системы. Мы будем говорить, что каждый пользователь, работая в соответствующем расширении компьютера, работает в виртуальной машине или виртуальном компьютере. Реальный компьютер используется непосредственно исключительно на аппаратном уровне. Во всех остальных случаях пользователь работает с программным расширением возможностей реального компьютера — с виртуальным компьютером. Причем "виртуальность" этого компьютера (или этих компьютеров) возрастает от уровня управления физическими ресурсами ВС до уровня прикладных систем.

Вернемся к замечаниям, с которых начали данный раздел, касающихся неоднозначности определений многих компонентов вычислительных систем и, в частности, неоднозначности определения термина «операционная система».

В некоторых изданиях ошибочно ассоциируют понятие виртуального компьютера исключительно с операционной системой. Это не так. Только что мы показали, что "виртуальность компьютера", с которым работает пользователь вычислительной системы, начинается с уровня управления физическими устройствами и завершается на уровне прикладных систем.

Также не совсем правильным является утверждение, что операционная система предоставляет пользователю удобства работы с вычислительной системой или простоту ее программирования. На самом деле эти свойства в большей степени принадлежат прикладным системам или системам программирования. Одной из возможных причин подобной неоднозначности является то, что на ранних периодах развития вычислительной техники системы программирования рассматривались в качестве компонента операционных систем. Вычислительная система является продуктом глубокой интеграции ее компонентов, и, безусловно, на удобства работы с ВС и на простоту программирования оказывают влияние и аппаратура компьютера, и операционная система, но эти свойства в существенно большей степени характеризуют системы программирования и прикладные системы.

В настоящем разделе были рассмотрены следующие базовые определения, понятия.

Вычислительная система — совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрена пятиуровневая модель организации вычислительной системы: аппаратный уровень, уровень управления физическими ресурсами ВС, уровень управления логическими/виртуальными ресурсами, уровень систем программирования и уровень прикладных систем. Круг задач, на решение которых ориентирована вычислительная система, определяется наполнением уровня прикладных систем, однако возможность реализации тех или иных прикладных систем определяется всеми остальными уровнями, составляющими структурную организацию ВС.

Физические ресурсы (устройства) — компоненты аппаратуры компьютера, используемые на программных уровнях ВС или оказывающие влияние на функционирование всей ВС. Совокупность физических ресурсов составляет аппаратный уровень вычислительной системы.

Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. Драйвер физического устройства скрывает от пользователя детальные элементы управления конкретным физическим устройством и предоставляет пользователю упрощенный программный интерфейс работы с устройством.

Логические, или виртуальные, ресурсы (устройства) ВС — устройство/ресурс, некоторые эксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованы программным образом.

Драйвер логического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающая существование и использование соответствующего ресурса, для этих целей при его реализации возможно использование существующих драйверов физических и виртуальных устройств.

Ресурсы вычислительной системы — это совокупность всех физических и виртуальных ресурсов данной вычислительной системы.

Операционная система  — это комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы. В структурной организации вычислительной системы операционная система представляется уровнями управления физическими и виртуальными ресурсами.

Жизненный цикл программы в вычислительной системе — проектирование, кодирование (программная реализация или реализация), тестирование и отладка, ввод программной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождение.

Система программирования — комплекс программ, обеспечивающий поддержание этапов жизненного цикла программы в вычислительной системе.

Прикладная система — программная система, ориентированная на решение или автоматизацию решения задач из конкретной предметной области.

1.2Основы компьютерной архитектуры

Изучение принципов структурной организации и функционирования основных компонентов операционной системы невозможно без рассмотрения основ архитектуры компьютера. Настоящая глава посвящена рассмотрению концепций организации компьютера в контексте его функционирования в составе вычислительной системы. Многие функциональные возможности операционных систем, такие как организация асинхронной работы с внешними устройствами, защита памяти от несанкционированного доступа, организация виртуальной оперативной памяти, невозможно рассматривать вне поддержки этих функций в аппаратуре компьютера. На самом деле верно и обратное: многие возможности аппаратуры компьютера сложно представить вне их использования в рамках операционной системы. В процессе рассмотрения основ архитектуры мы будем использовать обобщенную модель организации и свойств основных компонентов, составляющих компьютер, достаточную для построения представления о существующих взаимосвязях аппаратных и программных компонентов вычислительной системы, а также для понимания принципов построения операционных систем.

1.2.1Структура, основные компоненты

Середина 40-х годов прошлого века может вправе считаться сроком зарождения современной вычислительной техники. С этой датой связана публикация американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана (John Von Neumann) отчета по результатам проектирования компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — Электронный Компьютер Дискретных Переменных) под названием «Предварительный доклад о компьютере EDVAC» (A First Draft Report on the EDVAC). В данном отчете декларировались основные концепции организации компьютеров, которые должны были быть реализованы в EDVAC. Основными разработчиками этого компьютера были Джон Мочли (John Mauchly) и Джон Преспер Эккерт (John Presper Eckert). Следует отметить, что к тому времени Мочли и Эккерт имели успешный опыт разработки компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Скандальность данной ситуации состояла в том, что внутрикорпоративный отчет, основанный на предложениях Моучли и Эккерта или предложениях, полученных совместно Моучли, Эккертом и фон Нейманом, был подготовлен и опубликован за авторством только Джона фон Неймана. Распространение данного отчета в научной среде породило появление "принципов фон Неймана", которые как минимум должны были именоваться принципами Мочли, Эккерта, фон Неймана. Мы не вправе и не в силах изменить ход истории и сложившуюся терминологию, поэтому в дальнейшем также будем использовать термин "принципы построения компьютера фон Неймана". Итак, в чем же состояли принципы организации машины фон Неймана?

1. Принцип двоичного кодирования информации: все поступающие и обрабатываемые компьютером данные кодируются при помощи двоичных сигналов.

2. Принцип программного управления. Программа состоит из команд, в которых закодированы операция и операнды, над которыми должна выполниться данная операция. Выполнение компьютером программы — это автоматическое выполнение определенной последовательности команд, составляющих программу. В компьютере имеется устройство, обеспечивающее выполнение команд, — процессор. Последовательность выполняемых процессором команд определяется последовательностью команд и данных, составляющих программу.

3. Принцип хранимой программы. Для хранения команд и данных программы используется единое устройство памяти, которое представляется в виде вектора слов. Все слова имеют последовательную адресацию. Команды и данные представляются единым образом. Интерпретация информации памяти и, соответственно, ее идентификация как команды или как данных происходит неявно при выполнении очередной команды. К примеру, содержимое слова, адрес которого используется в команде перехода в качестве операнда, интерпретируется как команда. Если то же слово используется в качестве операнда команды сложения, то его содержимое интерпретируется как данные. Это свойство определяет возможность программной генерации команд с последующим их выполнением.

1. Структура компьютера фон Неймана.

Рассмотрим упрощенную структуру компьютера фон Неймана (Рис. 20.):

• Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или основная память, — устройство хранения данных, в котором находится исполняемая в настоящее время программа.

• Внешние устройства — программно управляемые устройства, входящие в состав компьютера, т.е. устройства, с которыми выполняемая программа может обмениваться данными.

• Процессор, или центральный процессор (ЦП), — основной компонент компьютера, обеспечивающий выполнение программ, процессор координирует работу внешних устройств и оперативной памяти. Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). Устройство управления обеспечивает последовательную выборку команд, составляющих программу, из памяти, выделение и анализ кода операции, получение значений операндов. В зависимости от кода операции команда выполняется либо в устройстве управления (обычно это могут быть команды передачи управления), либо код операции и операнды передаются для выполнения в АЛУ. После чего выбирается из памяти следующая команда программы, и т.д. В системе команд компьютера предусмотрены команды обмена с внешними устройствами.

Современные компьютеры по многим показателям не соответствуют модели фон Неймана. Ниже мы рассмотрим базовые структурные и функциональные особенности современных компьютеров (Рис. 21.), уделив особое внимание организации компьютера, как системы, объединяющей разнородные по назначению и производительности аппаратные компоненты, работающей под управлением операционной системы. Скорости обработки информации в процессоре, доступа к данным, размещенным в оперативной памяти, обмена данными с внешними устройствами могут отличаться друг от друга на порядки. И если в системе не будут предусмотрены средства, компенсирующие этот дисбаланс, то итоговая производительность будет определяться наименее производительным элементом, активно используемым в работе системы.