Гордеев А.В. Операционные системы (2-е изд., 2004) (1186250), страница 72

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

Текст из файла (страница 72)

Вспомните основныепринципы организации ввода-вывода (см. главу 5): все операции ввода-вывода данных объявляются привилегированными. Это легче всего сделать, если процессорможет работать, как минимум, в двух режимах: привилегированном (режим супервизора) и пользовательском. В первом режиме процессор может выполнять вс£команды, тогда как в пользовательском набор разрешенных команд ограничеЕстественно, что помимо запрета на выполнение команд ввода-вывода в пользовтельском режиме работы процессор не должен позволять обращаться к своим сПциальным системным регистрам — эти регистры должны быть доступны толькпсновные принципы построения операционных систем281привилегированном режиме, то есть исключительно супервизорному коду самойоперационной системы. Попытка выполнить запрещенную команду или обратитьсяк запрещенному регистру должна вызывать прерывание (исключение), и центральн Ы й процессор должен быть предоставлен супервизорной части операционнойсистемы для управления выполняющимися вычислениями.вПоскольку любая программа требует операций ввода-вывода, прикладные програм­мы для выполнения этих (и некоторых других) операций обращаются к суперви­зорной части операционной системы (модуль супервизора иногда называют су­первизором задач) с соответствующим запросом.

При этом процессор долженпереключиться в привилегированный режим работы. Чтобы программы не моглипроизвольным образом обращаться к супервизорному коду, который работает впривилегированном режиме, им предоставляется возможность обращаться к немув строгом соответствии с принятыми правилами. Каждый запрос имеет свой иден­тификатор и должен сопровождаться соответствующим количеством параметров,уточняющих запрашиваемую у операционной системы функцию (операцию). По­этому супервизор задач при получении запроса сначала его тщательно проверяет.Если запрос корректный и программа имеет право с ним обращаться, то запрос навыполнение операции, как правило, передается соответствующему модулю опера­ционной системы.

Множество запросов к операционной системе образует соот­ветствующий системный интерфейс прикладного программирования (ApplicationProgram Interface, API).Принцип виртуализацииВ наше время уже не требуется пояснять значение слова «виртуальный», ибо овиртуальных мирах, о виртуальной реальности знают даже дети. Принцип виртуа­лизации нынче используется практически в любой операционной системе. Вирту­ализация ресурсов позволяет не только организовать разделение тех ресурсов меж­ду вычислительными процессами, которые не должны разделяться. Виртуализацияпозволяет абстрагироваться от конкретных ресурсов, максимально обобщить ихсвойства и работать с некоторой абстракцией, вобравшей в себя наиболее значи­мые особенности.

Этот принцип позволяет представить структуру системы в видеопределенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мо­ниторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресур­сов.Следует заметить, что сама операционная система существенно изменяет нашипредставления о компьютере. Она виртуализирует его, добавляя ему функциональ­ности, удобства управления, предоставляя средства организации параллельныхвычислений и т. д. Именно благодаря операционной системе мы воспринимаемКомпьютер совершенно иначе, чем без нее.наиболее законченным и естественным проявлением концепции виртуальностивляется понятие виртуальной машины.

По сути, любая операционная система,вляясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным правимУправление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реаль1еаппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результате282Глава 9. Архитектура операционных системпользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, спо­собное воспринимать их программы, написанные на определенном языке програм­мирования, выполнять их и выдавать результаты на виртуальные устройства, к 0 .торые связаны с реально существующими в данной вычислительной системе. Притаком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальнаяконфигурация вычислительной систейы, способы эффективного использованияее компонентов и подсистем.

Он мыслит и работает с машиной в терминах исполь­зуемого им языка.Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архи­тектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлениивыступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающимиработу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всегопользователи желают иметь собственную «идеализированную» по архитектурнымхарактеристикам машину в следующем составе.Q Единообразная по логике работы память (виртуальная) достаточного для вы­полнения приложений объема.

Организация работы с информацией в такойпамяти производится в терминах работы с сегментами данных на уровне вы­бранного пользователем языка программирования.•Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работатьпараллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления про­цессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия,реализованы и доступны пользователям с уровня используемого языка в тер­минах управления процессами.•Произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных ра­ботать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асин­хронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуальногопроцессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, пере­даваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допусти­мыми размерами.

Доступ к такой информации осуществляется на основе либопоследовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответствую­щей системы управления файлами. Предусмотрено расширение информаци­онных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большейили меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реа­лизуемая средствами операционной системы на базе конкретной аппаратуры ком­пьютера, приближена к «идеальной» по характеристикам машине и, следователь­но, чем больше ее архитектурно-логические характеристики отличны от реальнсуществующих, тем больше степень ее виртуальности.Одним из важнейших результатов принципа виртуализации является возможное!организации выполнения в операционной системе приложений, разработанных Ддругой операционной системы, имеющей совсем другой интерфейс прикладногпрограммирования.

Другими словами, речь идет об организации нескольких on ^рационных сред, о чем мы уже говорили в главе 1. Реализация этого принципа пзволяет операционной системе иметь очень сильное преимущество перед дрУгИОсновные принципы построения операционных систем283операционными системами, не имеющими такой возможности. Примером реали­зации принципа виртуализации может служить VDM-машина (Virtual DOS Ma­chine) — защищенная подсистема, предоставляющая полную среду типа MS DOSи консоль для выполнения DOS-приложений. Как правило, параллельно можетвыполняться практически произвольное число DOS-приложений, каждое в своейVDM-машине.

Такие VDM-машины имеются и в операционных системах Win­dows 1 компании Microsoft, в OS/2, в Linux.Одним из аспектов общего принципа виртуализации является независимость про­грамм от внешних устройств, хотя иногда эту особенность выделяют особенно и на­зывают принципом. Она заключается в том, что связь программ с конкретнымиустройствами производится не в процессе создания программы, а в период плани­рования ее исполнения.

В результате перекомпиляция при работе программы с но­вым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Этот принциппозволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройстваминезависимо от их конкретных физических характеристик. Например, программе,содержащей операции обработки последовательного набора данных, безразлично,на каком носителе эти данные будут располагаться. Смена носителя и данных, раз­мещаемых на них (при неизменности структурных характеристик данных), не при­внесет каких-либо изменений в программу, если в системе реализован принципнезависимости программ от внешних устройств. Независимость программ от вне­шних устройств реализуется в подавляющем большинстве операционных системобщего применения.

Ярким примером такого подхода являются операционные си­стемы с общим названием UNIX. Реализована такая независимость и в большин­стве современных операционных систем для персональных компьютеров.Например, в системах Windows все аппаратные ресурсы полностью виртуализированы, и прямой доступ к ним со стороны прикладных (и системных обрабатыва­ющих) программ однозначно запрещен. В системах Windows NT/2000/XP дажебыли введены понятия HAL (Hardware Abstraction Layer — уровень абстрагирова­ния аппаратуры) и HEL (Hardware Emulation Layer — уровень эмуляции аппара­туры), и этот шаг очень помогает в реализации идей переносимости (мобильнос­ти) операционной системы.Принцип мобильностиМобильность, или переносимость, означает возможность и легкость переноса опе­рационной системы на другую аппаратную платформу. Мобильная операционнаясистема обычно разрабатывается с помощью специального языка высокого уров­ня, предназначенного для создания системного программного обеспечения.

Характеристики

Список файлов книги