- •Челябинск
- •2002 Предисловие
- •От издательства
- •Часть 1 Операционные системы и среды
- •Глава 1 Основные понятия Понятие операционной среды
- •Понятия вычислительного процесса и ресурса
- •Диаграмма состояний процесса
- •Реализация понятия последовательного процесса в ос
- •Процессы и треды
- •Прерывания
- •Основные виды ресурсов
- •Классификация операционных систем
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 2 Управление задачами и памятью в операционных системах
- •Планирование и диспетчеризация процессов и задач Стратегии планирования
- •Дисциплины диспетчеризации
- •Вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы диспетчеризации
- •Качество диспетчеризации и гарантии обслуживания
- •Диспетчеризация задач с использованием динамических приоритетов
- •Память и отображения, виртуальное адресное пространство
- •Простое непрерывное распределение и распределение с перекрытием (оверлейные структуры)
- •Распределение статическими и динамическими разделами
- •Разделы с фиксированными границами
- •Разделы с подвижными границами
- •Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти
- •Сегментный способ организации виртуальной памяти
- •Страничный способ организации виртуальной памяти
- •Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти
- •Распределение оперативной памяти в современных ос для пк
- •Распределение оперативной памяти вMs-dos
- •Распределение оперативной памяти вMicrosoftWindows95/98
- •Распределение оперативной памяти вMicrosoftWindowsNt
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 3 Особенности архитектуры микропроцессоровi80x86
- •Реальный и защищённый режимы работы процессора
- •Новые системные регистры микропроцессоров i80x86
- •Адресация в 32-разрядных микропроцессорахi80х86 при работе в защищённом режиме Поддержка сегментного способа организации виртуальной памяти
- •Поддержка страничного способа организации виртуальной памяти
- •Режим виртуальных машин для исполнения приложений реального режима
- •Защита адресного пространства задач
- •Уровни привилегий для защиты адресного пространства задач
- •Механизм шлюзов для передачи управления на сегменты кода с другими уровнями привилегий
- •Система прерываний 32-разрядных микропроцессоровi80x86
- •Работа системы прерываний в реальном режиме работы процессора
- •Работа системы прерываний в защищённом режиме работы процессора
- •Обработка прерываний в контексте текущей задачи
- •Обработка прерываний с переключением на новую задачу
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 4 Управление вводом/выводом и файловые системы
- •Основные понятия и концепции организации ввода/вывода в ос
- •Режимы управления вводом/выводом
- •Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода
- •Основные системные таблицы ввода/вывода
- •Синхронный и асинхронный ввод/вывод
- •Кэширование операций ввода/вывода при работе с накопителями на магнитных дисках
- •Функции файловой системы ос и иерархия данных
- •Структура магнитного диска (разбиение дисков на разделы)
- •Файловая системаFat
- •Структура загрузочной записиDos
- •Файловые системыVfaTиFat32
- •Файловая система hpfs
- •Файловая система ntfs (New Technology File System)
- •Основные возможности файловой системы ntfs
- •Структура тома с файловой системой ntfs
- •Возможности файловой системыNtfSпо ограничению доступа к файлам и каталогам
- •Основные отличияFaTи ntfs
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Задания
- •Глава 5 Архитектура операционных систем и интерфейсы прикладного
- •Принцип функциональной избирательности
- •Принцип генерируемости ос
- •Принцип функциональной избыточности
- •Принцип виртуализации
- •Принцип независимости программ от внешних устройств
- •Принцип совместимости
- •Принцип открытой и наращиваемой ос
- •Принцип мобильности (переносимости)
- •Принцип обеспечения безопасности вычислений
- •Микроядерные операционные системы
- •Монолитные операционные системы
- •Требования, предъявляемые к ос реального времени
- •Мультипрограммность и многозадачность
- •Приоритеты задач (потоков)
- •Наследование приоритетов
- •Синхронизация процессов и задач
- •Предсказуемость
- •Принципы построения интерфейсов операционных систем
- •Интерфейс прикладного программирования
- •Реализация функцийApIна уровне ос
- •Реализация функцийApIна уровне системы программирования
- •Реализация функцийApIс помощью внешних библиотек
- •Платформенно-независимый интерфейс posix
- •Пример программирования в различныхApiос
- •Текст программы дляWindows(WinApi)
- •Текст программы дляLinux(posixapi)
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 6 Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
- •Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы
- •Средства синхронизации и связи при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
- •Использование блокировки памяти при синхронизации параллельных процессов
- •Возможные проблемы при организации взаимного исключения посредством использования только блокировки памяти
- •Алгоритм Деккера
- •Синхронизация процессов посредством операции «проверка и установка»
- •Семафорные примитивы Дейкстры
- •Мьютексы
- •Использование семафоров при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
- •Задача «поставщик – потребитель»
- •Пример простейшей синхронизации взаимодействующих процессов
- •Решение задачи «читатели – писатели»
- •Мониторы Хоара
- •Почтовые ящики
- •Конвейеры и очереди сообщений Конвейеры (программные каналы)
- •Очереди сообщений
- •Примеры создания параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
- •Пример создания многозадачного приложения с помощью системы программированияBorlandDelphi
- •Пример создания комплекса параллельных взаимодействующих программ, выступающих как самостоятельные вычислительные процессы
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 7 Проблема тупиков и методы борьбы с ними
- •Понятие тупиковой ситуации при выполнении параллельных вычислительных процессов
- •Примеры тупиковых ситуаций и причины их возникновения
- •Пример тупика на ресурсах типаCr
- •Пример тупика на ресурсах типаCRиSr
- •Пример тупика на ресурсах типаSr
- •1: P(s2); 5: p(s1);
- •Формальные модели для изучения проблемы тупиковых ситуаций
- •Сети Петри
- •Вычислительные схемы
- •Модель пространства состояний системы
- •Методы борьбы с тупиками
- •Предотвращение тупиков
- •Обход тупиков
- •Обнаружение тупика
- •Обнаружение тупика посредством редукции графа повторно используемых ресурсов
- •Методы обнаружения тупика по наличию замкнутой цепочки запросов
- •Алгоритм обнаружения тупика по наличию замкнутой цепочки запросов
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Глава 8 Современные операционные системы
- •Семейство операционных системUnix Общая характеристика семейства операционных систем unix, особенности архитектуры семейства осunix
- •Основные понятия системыUnix
- •Виртуальная машина
- •Пользователь
- •Интерфейс пользователя
- •Привилегированный пользователь
- •Команды и командный интерпретатор
- •Процессы
- •Функционирование системыUnix
- •Выполнение процессов
- •Подсистема ввода/вывода
- •Перенаправление ввода/вывода
- •Файловая система
- •Структура файловой системы
- •Защита файлов
- •Межпроцессные коммуникации вUnix
- •Сигналы
- •Семафоры
- •Программные каналы
- •Очереди сообщений
- •Разделяемая память
- •Вызовы удаленных процедур (rpc)
- •Операционная системаLinux
- •Семейство операционных систем os/2WarpкомпанииIbm
- •Особенности архитектуры и основные возможности os/2Warp
- •Особенности интерфейса os/2Warp
- •Серверная операционная система os/2Warp4.5
- •Сетевая ос реального времениQnx
- •Архитектура системыQnx
- •Основные механизмы qnx для организации распредёленных вычислений
- •Контрольные вопросы и задачи Вопросы для проверки
- •Приложение а Тексты программы параллельных взаимодействующих задач
- •Приложение б Тексты программ комплекса параллельных взаимодействующих приложений
- •Текст программы а
- •Текст программы в
- •Текст программы d
- •Текст программы g
- •Список литературы
- •Часть 1 6
- •Глава 5 Архитектура операционных систем и интерфейсы прикладного 240
- •Глава 6 Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных 279
- •Глава 7 Проблема тупиков и методы 348
- •Глава 8 Современные операционные 391
Прерывания
Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, прерывание – это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через неё – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.
Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувеличения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислительной техники. Основная цель введения прерываний – реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.
Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность – прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.
Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы:
1 Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется повторно, на шаге 4).
2 Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определяется, прежде всего, значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрамиCSиIP– указателем команды [2, 22, 84]), содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.
3 Управление аппаратно передаётся подпрограмме обработки прерывания. В простейшем случае в счётчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры – информация из слова состояния. В более развитых процессорах, например в том же i80286 и последующих 32-битовых микропроцессорах, начиная с i80386, осуществляется достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствующей подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора (см. раздел «Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i80x86», глава 3).
4 Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислительных системах предусматривается запоминание довольно большого объёма информации о состоянии прерванного процесса.
5 Обработка прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.
6 Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).
7. Возврат в прерванную программу.
Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 – программно.
На рис. 1.4 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передаётся программе обработки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения программы обработки прерывания управление возвращается прерванной ранее программе посредством занесения в указатель команд сохранённого адреса команды. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам, о чём будет более подробно написано ниже.
Рис. 1.4. Обработка прерывания
Итак, главные функции механизма прерываний:
распознавание или классификация прерываний;
передача управления соответственно обработчику прерываний;
корректное возвращение к прерванной программе.
Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке – systemstack.
Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).
Внешние прерываниявызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:
прерывания от таймера;
прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу/выводу);
прерывания по нарушению питания;
прерывания с пульта оператора вычислительной системы;
прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.
Внутренние прерываниявызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:
при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещённый или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);
при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;
при делении на нуль;
при переполнении или исчезновении порядка;
при обнаружении ошибок чётности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.
Могут ещё существовать прерывания при обращении к супервизору ОС – в некоторых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользователи. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором эти привилегированные команды не исполняются. При попытке использовать команду, запрещённую в данном режиме, происходит внутреннее прерывание и управление передаётся супервизору ОС. К привилегированным командам относятся и команды переключения режима работа центрального процессора.
Наконец, существуют собственно программные прерывания.Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре; они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания. Очевидно, что прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации). На рис.1.5 изображен обычный порядок (приоритеты) обработки прерываний в зависимости от типа прерываний. Учет приоритета может быть встроен в технические средства, а также определяться операционной системой, то есть кроме аппаратно реализованных приоритетов прерывания большинство вычислительных машин и комплексов допускают программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания. Второй способ, дополняя первый, позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.
Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерывания. Программное управление этими средствами (существуют специальные команда для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу, откладывать их обработку на некоторое время или полностью игнорировать. Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.
Рис. 1.5. Распределение прерываний по уровням приоритета
Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:
с относительными приоритетами,то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслуживания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;
с абсолютными приоритетами,то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса;
по принципу стека,или, как иногда говорят,по дисциплине LCFS(lastcomefirstserved– последним пришёл – первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маски ни на один сигнал прерывания и не выключать систему прерываний.
Следует особо отметить, что для правильной реализации последних двух дисциплин нужно обеспечить полное маскирование системы прерываний при выполнении шагов 1-4 и 6-7. Это необходимо для того, чтобы не потерять запрос и правильно его обслужить. Многоуровневое прерывание должно происходить на этапе собственно обработки прерывания, а не на этапе перехода с одного процесса на другой.
Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами), предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет ОС (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Поэтому в состав любой ОС реального времени прежде всего входят программы управления системой прерываний, контроля состояний задач и событий, синхронизации задач, средства распределения памяти и управления ею, а уже потом средства организации данных (с помощью файловых систем и т. д.). Следует, однако, заметить, что современная ОС реального времени должна вносить в аппаратно-программный комплекс нечто большее, нежели просто обеспечение быстрой реакции на прерывания.
Как мы уже знаем, при появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывания разрешены, управление передаётся на соответствующую подпрограмму обработки. Из рис.1.4 видно, что в подпрограмме обработки прерывания имеются две служебные секции. Это – первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерванной задачи, который не смог быть сохранен на 2-м шаге, и последняя, заключительная секция, в которой, наоборот, осуществляется восстановление контекста. Для того чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание, она обычно автоматически «закрывает» (отключает) прерывания, поэтому необходимо потом в подпрограмме обработки прерываний вновь включать систему прерываний. Установка рассмотренных режимов обработки прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами, и по правилу LCFS) осуществляется в конце первой секции подпрограммы обработки. Таким образом, на время выполнения центральной секции (в случае работы в режимах с абсолютными приоритетами и по дисциплине LCFS) прерывания разрешены. На время работы заключительной секции подпрограммы обработки система прерываний должна быть отключена и после восстановления контекста вновь включена. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный программный модуль, называемыйсупервизором прерываний
Супервизор прерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычислительного процесса. Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Наконец, перед тем как передать управление этой подпрограмме, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передаётся супервизору, на этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач (см. раздел «Качество диспетчеризации и гарантии обслуживания», глава 2). И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени (между выполняющимися процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренная нами схема проиллюстрирована на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС
Как мы видим из рис. 1.6, здесь нет непосредственного возврата в прерванную ранее программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямого непосредственного возврата достаточно адрес возврата сохранить в стеке, что и делает аппаратура процессора. При этом стек легко обеспечивает возможность возврата в случае вложенных прерываний, поскольку он всегда реализует дисциплину LCFS(lastcome–firstserved).
Однако если бы контекст процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно реализуется аппаратурой, а не в описанных выше дескрипторах задач, то у нас не было бы возможности гибко подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессор после завершения работы подпрограммы обработки прерывания. Естественно, что это только общий принцип. В конкретных процессорах и в конкретных ОС могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения к ней. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере, его часть) становится структурой данных, которую поддерживает аппаратура.
Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассматриваемых далее современных ОС необходимо знать архитектуру персональных компьютеров и, в частности, особенности системы прерывания. Этот вопрос более подробно рассмотрен в главе 4 «Управление вводом/выводом и файловые системы», посвящённом архитектуре микропроцессоров i80x86.