Лекции по операционным системам, страница 9

В заключении отметим следующее. Представленная выше схема организации обмена является достаточно упрощенной. Она не затрагивает случаев синхронизации доступа к областям памяти, участвующим в обмене. Проблема состоит в том, что, например, записывая область данных на ВЗУ, после обработки заказа на обмен, но до завершения обмена программа может попытаться обновить содержимое области, что является некорректным. Поэтому в реальных системах для синхронизации работы с областями памяти, находящимися в обмене, используется возможность ее аппаратного закрытия на чтение и/или запись. То есть при попытке обмена с закрытой областью памяти произойдет прерывание. Это позволяет остановить выполнение программы до завершения обмена, если программа попытается выполнить некорректные операции с областью памяти, находящейся в обмене (попытка чтения при незавершенной операции чтения с ВУ или записи при незавершенной операции записи данной области на ВУ).

1.2.4.3Потоки данных. Организация управления внешними устройствами

При рассмотрении работы любого компьютера имеют место два потока информации. Первый поток — это управляющая информация, второй поток — это поток данных, над которыми осуществляется обработка в программе. Если рассматривать эти потоки информации в контексте организации работы ВЗУ, то можно выделить также поток управляющей информации, включающий в себя команды, обеспечивающие управление внешним устройством, а также поток данных, перемещающихся между данным ВЗУ и оперативной памятью. Рассмотрим теперь различные модели организации управления ВЗУ.

Простейшей моделью является непосредственное управление процессором внешними устройствами (Рис. 39.). Это означает, что центральный процессор фактически «интегрирован» со схемами управления внешними устройствами, имеет специальные команды управления ими, а также путем интерпретации последовательности команд управления осуществляет управление обменом. Т.е. процессор подает команды устройству на перемещение головок обмена, на включение той или иной головки, на ожидание и синхронизации прихода содержательной информации и пр. Помимо указанного потока команд через центральный процессор обрабатывает и поток данных: он считывает информацию, участвующую в обмене, со специальных регистров и переносит ее в оперативную память (либо же производит обратные манипуляции). Таким образом, и поток управления, и поток данных проходит через центральный процессор, что само по себе является трудоемкой задачей, к тому же эта модель подразумевает лишь синхронную реализацию.

1. Непосредственное управление центральным процессором внешнего устройства.

Следующая модель предлагает синхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств (Рис. 40.). Данная модель появилась вслед за появлением внешних устройств, для которых имелись электронные схемы управления этими устройствами — контроллеры, — взявшие на себя часть работ центрального процессора по управлению обменами. В этом случае контроллер взаимодействует с центральным процессором блоками больших размеров, при этом контроллер может самостоятельно выполнять некоторые работы по непосредственному управлению ВЗУ (например, пытаться локализовать и исправить возможные ошибки, которые могут случиться при чтении или записи данных). Но исторически такой тип управления ВЗУ изначально был синхронным: процессор посылает устройству команды на обмен и ожидает, когда этот обмен завершится. Что касается потока данных, то ничего нового в данной модели не представлено: процессор по-прежнему считывает их со специальных регистров внешнего устройства и помещает их в оперативную память.

1. Синхронное/асинхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.

Вслед за предыдущим типом устройств появились устройства, позволяющие осуществлять асинхронное управление с использованием контроллеров ВЗУ (Рис. 40.). В этом случае центральный процессор подает команду на обмен и не дожидается, когда эту команду отработают контроллер и устройство, т.е. он может продолжить обработку каких-то задач. Но для осуществления указанной модели необходимо, чтобы в системе был реализован аппарат прерываний.

Затем исторически появились т.н. контроллеры прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access, Рис. 41.). Контроллеры данного типа исключили центральный процессор из обработки потока данных, взяв эту функцию на себя. В данной модели предполагается, что центральный процессор занимается лишь обработкой потоком управляющей информации, а данные перемещаются между ВЗУ и ОЗУ уже без его участия.

1. Использование контроллера прямого доступа к памяти (DMA) или процессора (канала) ввода-вывода при обмене.

И, наконец, последняя модель основана на использовании процессора или канала ввода-вывода (Рис. 41.). В этом случае предполагается наличие специализированного компьютера, который имеет свой процессорный элемент, свою оперативную память, который функционирует под управлением своей ОС, и этот компьютер располагается логически между центральным процессором и внешними устройствами. В функции подобных процессоров или каналов входит высокоуровневое управление внешних устройств. В этом случае центральный процессор оперирует с внешними устройствами в форме высокоуровневых заказов на обмен. Соответственно, реализация непосредственного управления конкретным ВЗУ осуществляется в процессоре ввода-вывода (в частности, в нем может происходить многоуровневая фиксация ошибок, он может осуществлять аппаратное кэширование обменов, и пр.).

1.2.5Иерархия памяти

Рассматривая вычислительную систему, или компьютер, можно выстроить некоторую последовательность устройств, предназначенных для хранения информации в некотором ранжированном порядке, иерархии. Этот порядок можно определять на основе различных критериев: например, по стоимости хранения единицы информации или по скорости доступа к данным, но так или иначе устройства будут располагаться примерно в одном порядке (Рис. 42.).

1. Иерархия памяти.

Самой дорогостоящей и наиболее высокопроизводительной памятью является память, которая размещается в центральном процессоре (это регистровая память и КЭШ первого уровня (L1)).

Следующим звеном в этой иерархии может являться КЭШ второго уровня (L2). Это устройство логически располагается между процессором и оперативной памятью, оно является более дешевым и менее скоростным, чем КЭШ первого уровня, но более дорогое и более скоростное, чем ОЗУ, которое располагается на следующей ступени иерархии. Одним из основных свойств оперативной памяти являет то, что в ней располагается исполняемая в данный момент центральным процессором программа, т.е. процессор «берет» очередные операнды и команды для исполнения именно из оперативной памяти.

Ниже ОЗУ в приведенной иерархии следуют устройства, предназначенные для оперативного хранения программной информации пользователей и ОС. Сначала естественным образом следуют ВЗУ прямого доступа с внутренней КЭШ-буферизацией. Это дорогостоящие устройства, они предназначены для наиболее оперативного обмена. Так, на этих устройствах операционная система может размещать свои всякого рода информационные таблицы.

Следом за предыдущим типом устройств следуют ВЗУ прямого доступа без КЭШ-буферизации, которые также обеспечивают оперативных доступ, но уже на более низких скоростях. На подобных устройствах может находиться файловая система пользователей, код ОС (поскольку для системного устройства, с которого происходит загрузка ОС, скорость не особенно актуальна в отличие от устройства, хранящего данные работающей ОС).

И в самом низу иерархии располагаются ВЗУ долговременного хранения данных. Это системы резервирования, системы архивирования и т.д. Назначения данного класса устройств могут быть самыми разными, но все они характеризуются низкой скоростью доступа к данным и достаточно низкой стоимостью хранения единицы информации.

1.2.6Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования

Если мы обратим свое внимание на рассмотрение компьютеров первого поколения, то это были компьютеры (computer — вычислитель) в прямом смысле слова, т.е. производители первых компьютеров ставили перед собой целью создание автоматических вычислений (причем достаточно в большом количестве). Но со временем круг пользователей расширялся, что привело к возникновению необходимости в присутствии в аппаратуре компьютера компонентов, предназначенных не столько для организации автоматизации вычислений, сколько для организации управления этими вычислениями. Этот раздел посвящен таким компонентам компьютера, которые изначально предназначались для аппаратной поддержки функционирования программного обеспечения, в частности, операционной системы и систем программирования.

1.2.6.1Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима

Выше уже речь уже шла о мультипрограммном режиме, когда в обработке могут находиться две и более программы пользователей, и каждая из этих программ может находиться в одном из трех состояний: во-первых, программа может выполняться на процессоре (т.е. ее команды исполняются центральным процессором), во-вторых, программа может ожидать завершения запрошенного ею обмена (для продолжения ее выполнения необходимо окончания обмена), и, наконец, в-третьих, программы могут находиться в ожидании освобождения центрального процессора (эти программы готовы к выполнению на процессоре, но процессор в данный момент занят иной программой). Мультипрограммный режим — это режим наиболее эффективной загрузки центрального процессора. На сегодняшний день мультипрограммный режим позволяет обрабатываться на компьютере большому числу процессов (задач), предоставляющих пользователю широкий круг различных услуг.

Рассмотрим схему организации мультипрограммного режима (Рис. 43.). Пускай в начальный момент времени на процессоре обрабатывается Программа 1, которая в некоторый момент времени t₁ выдает запрос на обмен, при этом дальнейшая обработка на процессоре невозможна до завершения этого обмена. В случае синхронной организации Программа 1 будет приостановлена, и процессор будет простаивать до завершения обмена Программы 1. Соответственно, со временем последовало естественное предложение запускать на обработку центральным процессором других программ, пока Программа 1 ожидает завершения своего обмена. На рисунке проиллюстрирована ситуация, когда при запуске обмена для Программы 1 на счет ставится Программа 2, которая выполняется до некоторого момента времени t₂, после чего она приостанавливается по тем или иным причинам, и запускается Программа 3. После завершения обмена на обработку вновь ставится Программа 1, сменяя Программу 3 в момент времени t₃.

1. Мультипрограммный режим.

Естественно, для предложенного подхода возникает вопрос, какие аппаратные средства необходимы для корректного функционирования указанной системы. Под корректным функционированием мы будем понимать, что в независимости от степени мультипрограммирования (от количества обрабатываемых в системе программ) результат работы конкретной программы не зависит от наличия и деятельности других программ. Чтобы понять, какие требования предъявляются подобным системам, разберем сначала, какие трудности и проблемы могут возникнуть при мультипрограммном режиме.

Первая проблема, которая может возникнуть, — это влияние программ друг на друга. Очень нежелательна ситуация, когда одна программа может обратиться в адресное пространство другой программы и считать оттуда данные (поскольку все-таки необходимо обеспечивать конфиденциальность информации), и уж совсем плоха ситуация, когда другая программа может что-то записать в чужое адресное пространство. Соответственно, для корректного мультипрограммирования система должна обеспечивать эксклюзивное владение программ выделенными им участками памяти. Если возникает задача обеспечения множественного доступа к памяти, то это должно осуществляться с согласия владельца этой памятью. Итак, первое требование к системе — это наличие т.н. аппарата защиты памяти. Сразу отметим, что режим защиты памяти нельзя делать чисто программным способом, поскольку если данный режим будет обеспечивать операционная система (т.е. каждый раз сравнивать получаемый исполнительный адрес, не вышел ли он за границы дозволенного программе диапазона адресов), то производительность вычислительной системы в целом будет крайне низкой.