Лекции по операционным системам (2014. Лекции (презентации)), страница 6

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.

1. Базовая архитектура современных компьютеров.

Итоговая производительность вычислительной системы во многом определяется решениями на уровнях аппаратуры и операционной системы, которые позволяют минимизировать последствия дисбаланса в производительности как аппаратных, так и программных компонентов.

1.2.2Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство (RAM — Random-Access Memory) — это устройство хранения данных компьютера, в котором находится исполняемая в данный момент программа. ОЗУ еще называют основной памятью, или оперативной памятью. Команды программы, исполняемые компьютером, поступают в процессор исключительно из ОЗУ. Хранение программы, которая выполняется в настоящее время компьютером, является основным назначением оперативной памяти. Оперативная память состоит из ячеек памяти. Ячейка памяти — это устройство, в котором возможно хранение информации. Ячейка памяти может состоять из двух полей (Рис. 22.). Первое поле — поле машинного слова, второе — поле служебной информации (или ТЕГ). Рассмотрим назначение каждого из них.

1. Ячейка памяти.

Машинное слово — поле программно изменяемой информации. В машинном слове могут располагаться машинные команды (или части машинных команд) или данные, с которыми может оперировать программа. Машинное слово имеет фиксированный для данной ЭВМ размер. Обычно под размером машинного слова понимается количество двоичных разрядов, размещаемых в машинном слове. Когда используется термины «16-тиразрядный компьютер», или «32-хразрядный компьютер», или «64-хразрядный компьютер», это означает, что речь идет о компьютерах, оперативная память которых имеет машинные слова размером 16, 32 или 64 разряда соответственно.

Служебная информация — ТЕГ (tag — ярлык, бирка) — поле ячейки памяти, в котором схемами контроля процессора и ОЗУ автоматически размещается информация, необходимая для осуществления контроля за целостностью и корректностью использования данных, размещаемых в машинном слове.

Использование в компьютере содержимого поля служебной информации может осуществляться в следующих целях.

• Контроль целостности данных. Содержимое поля используется для контрольного суммирования кода, размещенного в машинном слове. При каждой записи информации в машинное слово автоматически происходит контрольное суммирование и формирование содержимого поля служебной информации. При чтении данных из машинного слова также автоматически происходит контрольное суммирование кода, находящегося в машинном слове, а затем полученный код контрольной суммы сравнивается с кодом, размещенным в поле служебной информации. Совпадение кодов говорит о том, что данные, записанные в машинном слове, не потеряны. Несовпадение говорит о том, что произошел сбой в ОЗУ, и информация, находящаяся в машинном слове, потеряна, в этом случае в процессоре происходит прерывание (прерывания будут рассматриваться несколько позднее). На Рис. 23. изображена ячейка памяти с 16-тиразрядным машинным словом и одноразрядным полем ТЕГа. Контрольный разряд дополняет код машинного слова до четности. Вариант А: содержимое машинного слова корректное (здесь следует отметить, что одноразрядное контрольное суммирование может "пропускать" потери пар единиц в коде машинного слова — вариант В), вариант Б — ошибка.

• Контроль доступа к командам/данным. Рассмотрим проблемы, возникающие в машинах фон Неймана. Первая — ситуация "потери" управления в программе, т.е. ситуация, при которой из-за ошибок в программе в качестве исполняемых команд начинают выбираться процессором и исполняться данные. Вторая проявляется тогда, когда программа из-за ошибки сама затирает свою кодовую часть: на место команд записываются данные. Отладка подобных ошибок достаточно трудоемка, т.к. возникновение ошибки в программе и ее проявление могут быть существенно разнесены по коду программы и по времени проявления. Контроль доступа к командам/данным обеспечивает защиту от возникновения подобных проблем. Суть этого решения заключается в следующем. При включении специального режима работы процессора запись машинных команд в оперативную память сопровождается установкой в ТЕГе специального кода, указывающего, что в данном машинном слове размешена команда. Также соответствующий признак устанавливается при записи данных. При выборке очередной команды из памяти автоматически проверяется содержимое соответствующих разрядов ТЕГа: если в машинном слове размещена команда, то будет продолжена ее обработка и выполнение. Если возникает попытка выполнения в качестве команды кода, записанного как данные, то происходит прерывание. Т.е. фиксируется возникновение ошибки. Здесь мы видим первый случай отхода от одного из принципов организации компьютеров фон Неймана — введение контроля за семантикой размещенной в машинном слове информации.

1. Контроль четности.

• Контроль доступа к машинным типам данных. Развитием контроля за семантикой информации, размещенной в оперативной памяти, является появление средств контроля за использованием компьютерных типов данных. Как известно, каждый компьютер имеет так называемые машинные типы данных. Это означает, что существуют группы машинных команд, которые оперируют с данными одного типа (целые, вещественные с фиксированной точкой, вещественные с плавающей точкой, символьные, логические). Т.е. при выполнении команды используемые операнды интерпретируются согласно машинному типу данных в соответствии с типом команды. Согласно одному из принципов фон Неймана способ интерпретации информации в оперативной памяти зависит исключительно от характера использования этой информации. Т.е. любой код, записанный в машинное слово, может быть использован в качестве кода машинной команды, если устройство управления обратилось за очередной командой к этому машинному слову, и этот же код может быть проинтерпретирован как код любого машинного типа данных, если он используется в качестве операнда команды соответствующего типа. Контроль доступа к машинным типам данных осуществляется за счет фиксации в поле ТЕГа кода типа данных при их записи в машинное слово, а при использовании этих данных в качеств операндов команд осуществляется автоматическая проверка совпадения типа операнда и типа команды. Если они совпадают, то команда продолжает свое выполнение, если нет, то происходит прерывание. Как видим, контроль за использованием машинных типов данных является еще одним проявлением отхода архитектуры компьютеров от принципов фон Неймана.

Наличие или отсутствие поля служебной информации в ячейке памяти, характер его использования зависят от конкретного типа компьютеров. В каких-то компьютерах это поле ячейки памяти может отсутствовать, и в этом случае размер ячейки памяти совпадает с машинным словом. В каких-то — поле со служебной информацией ячейки памяти есть и используется для организации контроля за целостностью данных и корректностью их использования.