Операционные системы 2011 (1114689), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Давайте продолжим эту цепочку в связи со средствами поддержкимультипрограммного режима работы вычислительной системы.1.2.6.1 Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режимаВыше уже шла речь о мультипрограммном режиме – режиме работы ВС, прикотором в каждый момент времени в системе могут обрабатываться две и более программпользователей (эти программы иногда называют смесью программ). Каждая из этихпрограмм может находиться в одном из трех состояний: во-первых, программа можетвыполняться на процессоре (т.е. ее команды исполняются центральным процессором), вовторых, программа может ожидать завершения запрошенного ею обмена (дляпродолжения ее выполнения необходимо окончания обмена), и, наконец, в-третьих,программы могут находиться в ожидании освобождения центрального процессора (этипрограммы готовы к выполнению на процессоре, но процессор в данный момент занятиной программой).

Мультипрограммный режим — это режим наиболее эффективнойзагрузки центрального процессора. На сегодняшний день мультипрограммный режимпозволяет обрабатываться на компьютере большому числу процессов (задач),предоставляющих пользователю широкий круг различных услуг.Рассмотрим схему организации мультипрограммного режима (Рис. 44). Пусть вначальный момент времени на процессоре обрабатывается Программа 1, которая внекоторый момент времени t1 выдает запрос на обмен, при этом дальнейшая обработка напроцессоре невозможна до завершения этого обмена.

В случае синхронной организацииПрограмма 1 будет приостановлена, и процессор будет простаивать до завершения обменаПрограммы 1. Соответственно, со временем последовало естественное предложениезапускать на обработку центральным процессором другие программы, пока Программа 1ожидает завершения своего обмена. На Рис. 44 проиллюстрирована ситуация, когда призапуске обмена для Программы 1 на счет ставится Программа 2, которая выполняется донекоторого момента времени t2, после чего она приостанавливается по тем или инымпричинам, и запускается Программа 3. После завершения обмена на обработку вновьставится Программа 1, сменяя Программу 3 в момент времени t3.55Программа 3Программа 2Программа 1Программа 1t1t2t3время обмена Программы 1(операции ввода-вывода)Рис.

44. Мультипрограммный режим.Естественно, для предложенного подхода возникает вопрос, какие аппаратныесредства необходимы для корректного функционирования указанной системы. Подкорректным функционированием мы будем понимать, что в независимости от степенимультипрограммирования (от количества обрабатываемых в системе программ) результатработы 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. Этопроблемы, связанные, в первую очередь, с «общим ведением хозяйства», т.е.

когдаобрабатываемые программы претендуют на доступ к одним и тем же ресурсам ВС.Возникает ситуация конкуренции – поэтому для корректной работы необходимообеспечивать ограничение доступа.Первая проблема, которая может возникнуть, — это влияние программ друг надруга. Очень нежелательна ситуация, когда одна программа может обратиться в адресноепространство другой программы и считать оттуда данные (поскольку все-такинеобходимо обеспечивать конфиденциальность информации), и уж совсем плохо, когдадругая программа может что-то записать в чужое адресное пространство.

Соответственно,для корректного мультипрограммирования система должна обеспечивать программамэксклюзивное владение выделенными им участками памяти. Если возникает задачаобеспечения множественного доступа к памяти, то это должно осуществляться с согласиявладельца этой памятью. Итак, первое требование к системе — это наличие т.н. аппаратазащиты памяти обрабатываемых программ. Это аппаратно-программное средствокомпьютера. Это означает, что операционная система, когда загружает программу воперативную память, настраивает работу процессора, т.е. устанавливает в специальныерегистры процессора режимы, которые ограничивают использование данной программойоперативной памяти.

Сразу отметим, что режим защиты памяти нельзя делать чистопрограммным способом, поскольку если данный режим будет обеспечивать операционнаясистема (т.е. каждый раз сравнивать получаемый исполнительный адрес – не вышел ли онза границы дозволенного программе диапазона адресов), то производительностьвычислительной системы в целом будет крайне низкой.Реализация аппарата защиты памяти может быть достаточно простой: в процессоремогут быть специальные регистры (регистры границ), в которых устанавливаютсяграницы диапазона доступных для исполняемой задачи адресов оперативной памяти.Соответственно, когда устройство управления в центральном процессоре вычисляеточередной исполнительный адрес (это может быть адрес следующей команды или жеадрес необходимого операнда), автоматически проверяется, принадлежит ли полученныйадрес заданному диапазону.

Если адрес принадлежит диапазону, то продолжается56обработка задачи, иначе же в системе возникает прерывание (т.н. прерывание по защитепамяти). Отметим, что предложенная модель в реальной аппаратуре может бытьреализована множеством способов, но главное, что при постановке программы наобработку операционная система (программным способом) задает значения указанныхрегистров границ, а дальнейшая проверка адресов осуществляется аппаратным способом.Рассмотрим следующий круг возникающих при мультипрограммном режимепроблем. Предположим, в нашей мультипрограммной системе (например, терминальномклассе) имеется единственное печатающее устройство, и есть несколько программ,которые выводят свои данные на печать данному устройству. Соответственно, есликаждая программа будет иметь доступ к командам управления конечными физическимиустройствами, то при совместной работе в режиме мультипрограммирования этипрограммы будут вперемешку обращаться к печатающему устройству и печатать на немпорции своих данных, что в итоге приведет к невозможности интерпретациинапечатанной информации.Другим примером может служить только что обсуждавшийся аппарат защитыпамяти.

Значения указанных регистров границ устанавливаются посредствомспециальных машинных команд (ОС настраивает границы, а аппаратура автоматическипроверяет). Представьте ситуацию, когда к указанным командам смогут обращатьсяпроизвольные программы: тогда смысла в аппарате защиты памяти просто не будет —любая программа сможет обойти этот режим подменой своих регистров границ.Рассмотрение представленных примеров должно наводить на мысль, что системадолжна каким-то способом ранжировать команды и в соответствии с этим ранжированиемограничивать доступ пользователей различных категорий к машинным командам.Решением стала аппаратная возможность работы центрального процессора в двухрежимах: в режиме работы операционной системы (или привилегированном режиме,или режиме супервизора) и в пользовательском режиме (или непривилегированномрежиме, еще раньше использовался термин математического режима).

В режимеработы ОС процессор может исполнить любую из своих машинных команд. Если жепрограмма исполняется в пользовательском режиме, то ей доступно для исполнения лишьнекоторое подмножество машинных команд (если же при обработке такой программывстретится недопустимая команда, то в системе возникнет прерывание по запрещеннойкоманде). В частности, в состав запрещённых команд включаются все команды,обеспечивающие управление режимами центрального процессора, управлениефизическими устройствами и т.д.Тогда возникает вопрос, что же должна делать программа, обрабатываемая впользовательском режиме, для печати своих данных, например. Решений здесь можетбыть достаточно много, одним из которых может быть наличие в системе специальныхкоманд, интерпретируемых как обращения к операционной системе (которые в некоторыхсистемах рассматриваются как прерывания, в других системах — не как прерывания; мыбудем рассматривать их как прерывания по обращению к операционной системе).

Тогдапрограмма, работающая в непривилегированном режиме, может вызывать командыобращения к операционной системе, а через параметры передать необходимые данные,которые могут свидетельствовать о желании данной программы распечатать какую-либоинформацию на устройстве печати. Тогда схема организации печати данных наустройстве печати может выглядеть следующим образом.

Операционная система получаетот пользователей (т.е. от пользовательских программ) заказы на печать, и для каждой изпрограммы она формирует некоторую таблицу или область памяти, в которой будетаккумулироваться информация, которую необходимо вывести на принтер. Тогда каждыйзапрос программ на печать порции данных не является реальным обращением кустройству печати, но свидетельствует лишь о том, что передаваемая порция данныхдолжна быть распечатана, а ОС их аккумулирует. Реальная печать будет осуществлятьсяпри возникновении одного из трех событий. Во-первых, программа, посылающая данные57на печать, успешно завершилась.

Это означает, что гарантированно она не будет болеепосылать данные на печать. Во-вторых, в программе обнаружилась фатальная ошибка, чтоведет к безусловному завершению этой программы, что опять-таки гарантируетотсутствие будущих запросов данной программы на печать. И, в-третьих, операционнаясистема может получить (от некоторого виртуального оператора – т.н. планировщика)команду разгрузить буфер печати данной конкретной программы.И, наконец, ещё одна серьезная проблема, которая может возникнуть приорганизации мультипрограммного режима, связана с появлением в выполняемой втекущий момент программе семантической ошибки — программа зациклилась.Соответственно, если в этом цикле не встречаются команды, которые могут привести ктем или иным прерываниям, то в этом случае вся вычислительная система «зависает»:никакие новые задачи не ставятся на счет и пр.

Характеристики

Список файлов лекций