Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 125
Текст из файла (страница 125)
Теоретически у Репг1пш 4 могли бы возникнуть проблемы, если бы программа использовала тысячи сегментов, но так как ни одна из версий Ж1пдоиъ или 1Лч1Х не поддерживает более одного сегмента на процесс, никаких проблем не возникает. 1ЛггаЯРАКС П1 — 64-разрядная машина. Она может содержать до 2 млрд страниц, поэтому механизм таблиц страниц не работает. В будущем все машины будут иметь 64-разрядные виртуальные адресные пространства, и схема 1ЛьгаБРАКС П1 станет нормой. Виртуальная память и кэширование На первый взгляд может показаться, что виртуальная память и кэширование никак не связаны, но на самом деле эти механизмы похожи.
При наличии виртуальной памяти вся программа хранится на диске и разбивается на страницы фиксированного размера. Некоторое подмножество этих страниц находится в основной памяти. Если программа главным образом использует страницы из основной памяти, то ошибки отсутствия страницы будут встречаться редко, и программа сможет работать быстро. При кэшировании вся программа хранится в основной памяти и разбивается на блоки фиксированного размера. Некоторое подмножество этих блоков находится в кэш-памяти. Если же программа главным Виртуальные команды ввода-вывода 501 образом использует блоки из кэш-памяти, то кэш-промахи будут происходить редко, и программа сможет работать быстро.
Как видим, виртуальная память и кэш-память идентичны, разве что работают они на разных уровнях иерархии. Естественно, виртуальная память и кзш-память кое в чем различаются. Кэш-промахи обрабатываются аппаратно, а ошибки отсутствия страниц обрабатываются операционной системой. Блоки кэш-памяти обычно гораздо меньше страниц (сравните; 64 байта против 8 Кбайт). Кроме того, таблицы страниц индексируются по старшим битам виртуального адреса, а кэш-память индексируется по младшим битам адреса памяти. Тем не менее важно понимать, что различие здесь только в реализации.
Виртуальные команды ввода-вывода Как вам уже известно, наборы команд на уровне архитектуры команд и на уровне микроархитектуры совершенно разные. Различаются не только сами команды, но и их форматы, а некоторые совпадения совершенно случайны. Набор команд уровня операционной системы содержит большую часть команд уровня архитектуры команд, а также несколько новых очень важных команд. В то же время некоторые ненужные команды на уровне операционной системы не поддерживаются. Ввод-вывод — это одна из областей, в которых эти два уровня отличаются очень значительно. Причина таких различий проста.
Во-первых, пользователь, способный выполнять команды ввода-вывода уровня архитектуры команд, может считать конфиденциальную информацию, хранящуюся где-нибудь в «дебрях» операционной системы, и вообще потенциально представляет для системы угрозу. Во-вторых, нормальный программист совершенно не горит желанием реализовать ввод-вывод на уровне архитектуры команд, поскольку это слишком сложно и утомительно. Вместо этого для ввода-вывода можно просто установить определенные поля и биты в ряде регистров устройств, затем подождать, пока операция закончится, и проверить, что произошло.
Обычно биты регистров дисковых устройств позволяют обнаруживать следующие ошибки: + аппаратура диска не смогла выполнить позиционирование; + несуществующий элемент памяти определен как буфер; + процесс ввода-вывода с диска (на диск) начался до того, как закончился предыдущий; + ошибка синхронизации при считывании; + обращение к несуществующему диску; + обращение к несуществующему цилиндру; + обращение к несуществующему сектору; + несоответствие контрольных сумм при считывании; + ошибка проверки записи. При наличии одной из этих ошибок устанавливается соответствующий бит в регистре устройства.
502 Глава 6. Уровень операционной системы Файлы Один из способов виртуального ввода-вывода — использование абстракции под названием файл. Файл состоит из последовательности байтов, записанных на устройство ввода-вывода. Если устройство ввода-вывода является устройством хранения информации (например, диском), то файл можно считать обратно. Если устройство не является устройством хранения информации (например, это принтер), то файл оттуда считать нельзя. На диске может храниться множество файлов, в каждом из которых содержатся данные определенного типа, например, изображение, электронная таблица или текст. Файлы имеют разную длину и обладают разными свойствами. Эта абстракция позволяет легко организовать виртуальный ввод-вывод. Для операционной системы файл является просто последовательностью байтов.
Ввод-вывод файла осуществляется путем системных вызовов открытия, чтения, записи и закрытия файлов. Перед тем как считывать файл, его нужно открыть. Процесс открытия файла позволяет операционной системе найти файл на диске и передать в память информацию, необходимую для доступа к этому файлу. После открытия файла его можно считывать. Системный вызов для считывания должен иметь, как минимум, следующие параметры: + информацию о том, какой именно открытый файл нужно считывать; + указатель на буфер в памяти, в который нужно поместить данные; + число считываемых байтов. Данный системный вызов помещает требующиеся данные в буфер.
Обычно он возвращает число считанных байтов. Это число может быть меньше запрошенного числа (например, нельзя считать 2000 байт из файла размером 1000 байт). С каждым открытым файлом связан указатель, который сообщает, какой байт должен считываться следующим. После команды гезу указатель дополняется числом считанных байтов, поэтому последовательные команды гезу считывают последовательные блоки данных из файла. Обычно этот указатель можно установить на особое значение, чтобы программы могли получить доступ к любой части файла. Когда программа заканчивает считывание файла, она может закрыть его и сообщить операционной системе, что больше не будет использовать этот файл.
Тогда операционная система сможет освободить пространство в структуре, в которой хранилась информация об этом файле. В операционных системах для универсальных вычислительных машин файл представляет собой более сложную структуру. Здесь файл может быть последовательностью логических записей, каждая из которых имеет строго определенную структуру. Например, логическая запись может представлять собой структуру данных, состоящую из пяти полей: двух символьных строк, «Имя» и «Начальник», двух целых чисел, «Отдел» и «Комната», и одного логического числа «Пол женский». Некоторые операционные системы различают файлы, в которых все элементы имеют одинаковую структуру, и файлы, содержащие разные типы данных. Основная виртуальная команда ввода считывает следующую запись из нужного файла и помещает ее в основную память, начиная с определенного адреса, как показано на рис.
6.17. Чтобы выполнить эту операцию, виртуальная команда должна получить сведения о том, какой файл считывать и куда в памяти помес- Виртуальные команды ввода-вывода 503 тить запись. Часто существуют параметры для чтения некоторой записи, кото- рые определяются либо по ее месту в файле, либо по ее ключу. Номер логической записи Одна логическая запись ия Рис. 6.17. Чтение файла, состоящего из логических записей: до чтения записи 19 (а); после чтения записи 19 (б) Реализация виртуальных команд ввода-вывода Чтобы понять, как реализуются виртуальные команды ввода-вывода, нужно понять, как файлы организуются и хранятся.
Основной вопрос здесь — распределение памяти. Блоком размещения может быть один сектор на диске, но чаще он состоит из нескольких последовательных секторов. Еще одно фундаментальное свойство файловой системы — то, как располагаются блоки размещения, последовательно или нет. На рис. 6.18 изображен простой диск с одной поверхностью, состоящий из 5 дорожек по 12 секторов каждая. На рисунке 6.18, а файл состоит из последовательных секторов. Последовательное расположение блоков характерно для компакт-дисков. На рис.
6.18, б файл занимает непоследовательные секторы. Такая схема традиционна для жестких дисков. Восприятие файла прикладным программистом значительно отличается от восприятия файла операционной системой. Программист воспринимает файл как линейную последовательность байтов или логических записей. Операционная система воспринимает файл как упорядоченную, хотя необязательно последовательную, совокугпюсть блоков размещения на диске. Основная виртуальная команда вывода записывает логическую запись из памяти в файл, Последовательные команды нг(Се выполняют последовательные логические записи в файл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
