Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Супервизорный и пользовательский режимы работы процессора и их отличие

Содержание

Введение ………………………………………………..……………………..........5

1. Основные принципы построения операционных систем……………………..6

1.1 Принцип модульности…………..………………………………………6

1.2 Принцип особого режима .......................................................................8

1.3 Принцип виртуализации………………………………………………..9

1.4 Принцип мобильности ………………………………………………….12

1.5 Принцип совместимости ……………………………………………….14

1.6 Принцип генерируемости ……………………………………………...15

1.7 Принцип открытости …………………………………………………..16

2. Архитектура оперрационной системы………………………………………...17

3. Супервизорный и пользовательский режимы работы процессора и их

отличие…………………………………………………………………………….22

Заключение………………………………………………………………………..28

Литература…….………………………………………………………………...……29

Введение

Как комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ,

операционная система представляет собой очень сложный конгломерат взаимосвязанных программных модулей и структур данных, которые должны обеспечивать надежное и эффективное выполнение вычислений. Большинство потенциальных возможностей операционной системы, ее технические и потребительские параметры — все это во многом определяется архитектурой системы — ее структурой и основными принципами построения.

Очевидно, что системы, ориентированные на диалог, должны иметь иные стратегию обслуживания и дисциплину диспетчеризации, чем системы пакетной обработки. Диалоговое взаимодействие предполагает реализацию развитой интерфейсной подсистемы, обеспечивающей взаимодействие пользователя с компьютером.

Это отличие сказывается и на особенностях построения систем. Очевидно, что для диалоговых операционных систем необходимо предусмотреть множество механизмов, которые позволят пользователям эффективно управлять своими вычислениями.

Аналогично, и системы, реализующие мультизадачный режим работы, отличаются по своему строению от однозадачных систем. Если система допускает работу нескольких пользователей, то желательно иметь достаточно развитую подсистем, информационной безопасности. А это, в свою очередь, налагает определенные требования и на идеологию построения операционной системы, и на выбор конкретных механизмов, помогающих реализовать защиту информационных ресурсов ввести ограничения на доступ к другим видам ресурсов. Поскольку операционные системы помимо функций организации вычислений и организации интерфейс пользователя предоставляют интерфейсы для взаимодействия программ с операционной системой, мы в этой главе рассмотрим и интерфейсы прикладного программирования.

Основные принципы построения операционных систем

Среди множества принципов построения операционных систем перечислим несколько наиболее важных: принцип модульности, принцип виртуализации, принципы мобильности (переносимости) и совместимости, принцип открытости, принцип генерации операционной системы из программных компонентов и некоторые другие.

Принцип модульности

Операционная система строится из множества программных модулей. Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль предполагает легкий способ его замены другим при наличии заданных интерфейсов. Способы обособления составных частей операционной системы в отдельные модули могут быть существенно разными, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования системы (снизу вверх или наоборот).

Особо важное значение при построении операционных систем имеют привилегированные, повторно входимые и реентерабельные модули, ибо они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. В некоторых системах реентерабельность программы получают автоматически. Этого можно достичь благодаря неизменяемости кодовых частей программ при исполнении, а также автоматическому распределению регистров, автоматическому отделению кодовых частей программ от данных и помещению последних в системную область памяти, которая распределяется по запросам от выполняющихся задач. Естественно, что для этого необходима соответствующая аппаратная поддержка. В других случаях это достигается программистами за счет использования специальных системных модулей.

Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру. Принцип модульности является одним из основных в UNIX-системах.

Во всех операционных системах можно выделить некоторую часть наиболее важных управляющих модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более скорой реакции системы на возникающие события и более эффективной организации вычислительных процессов. Эти модули вместе с некоторыми системными структурами данных, необходимыми для функционирования операционной системы, образуют так называемое ядро операционной системы, так как это действительно ее самая главная, центральная часть, основа системы.

При формировании состава ядра требуется удовлетворить двум противоречивым требованиям. В состав ядра должны войти наиболее часто используемые системные модули. Количество модулей должно быть таким, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был не слишком большим. В его состав, как правило, входят модули по управлению системой прерываний, средства по переводу программ из состояния счета в состояние ожидания, готовности и обратно, средства по распределению основных ресурсов, таких как оперативная память и процессор. В микроядерных операционных системах само ядро очень компактно, а остальные модули вызываются из ядра как сервисные. При этом сервисные модули могут размещаться и в оперативной памяти. В противоположность микроядерным в макроядерных операционных системах главная супервизорная часть включает в себя большое количество модулей. Более подробно о микроядерных и макроядерных операционных системах см. далее. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают название транзитных. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима термина «транзитный» можно использовать термин «диск-резидентный».

1.2 Принцип особого режима работы

Ядро операционной системы и низкоуровневые драйверы, управляющие работой каналов и устройств ввода-вывода, должны работать в специальном режиме работы процессора. Это необходимо по нескольким причинам. Во-первых, введение специального режима работы процессора, в котором должен исполняться только код операционной системы, позволяет существенно повысить надежность выполнения вычислений. Это касается выполнения как управляющих функций самой операционной системы, так и прикладных задач пользователей. Категорически нельзя допускать, чтобы какая-нибудь прикладная программа могла вмешиваться (преднамеренно или в связи с появлением ошибок вычислений) в вычисления, связанные с супервизорной частью операционной системы. Во-вторых, ряд функций должен выполняться исключительно централизованно, под управлением операционной системы. К этим функциям мы, прежде всего, должны отнести функции, связанные с управлением процессами ввода-вывода данных. Все операции ввода-вывода данных объявляются привилегированными. Это легче всего сделать, если процессор может работать, как минимум, в двух режимах: привилегированном (режим супервизора) и пользовательском. В первом режиме процессор может выполнять все команды, тогда как в пользовательском набор разрешенных команд ограничен. Естественно, что помимо запрета на выполнение команд ввода-вывода в пользовательском режиме работы процессор не должен позволять обращаться к своим специальным системным регистрам — эти регистры должны быть доступны только в привилегированном режиме, то есть исключительно супервизорному коду самой операционной системы. Попытка выполнить запрещенную команду или обратиться к запрещенному регистру должна вызывать прерывание (исключение), и центральный процессор должен быть предоставлен супервизорной части операционной системы для управления выполняющимися вычислениями.

Поскольку 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 должен переключиться в привилегированный режим работы. Чтобы программы не могли произвольным образом обращаться к супервизорному коду, который работает в привилегированном режиме, им предоставляется возможность обращаться к нему в 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 на выполнение операции, как правило, передается соответствующему модулю операционной системы. Множество запросов к операционной системе образует соответствующий системный интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface, API).

1.3 Принцип виртуализации

Виртуализация ресурсов позволяет не только организовать разделение тех ресурсов между вычислительными процессами, которые не должны разделяться. Виртуализация позволяет абстрагироваться от конкретных ресурсов, максимально обобщить их свойства и работать с некоторой абстракцией, вобравшей в себя наиболее значимые особенности. Этот принцип позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.

Чаще виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощающими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеализированную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе.

• Единообразная по логике работы память (виртуальная) достаточного для выполнения приложений объема. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программирования.

• Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать параллельно 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 виртуального процессора, которые инициируют работу этих устройств. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допустимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, 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 большей или 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 реально существующих, тем больше степень ее виртуальности.

Одним из важнейших результатов принципа виртуализации является возможность организации выполнения в операционной системе приложений, разработанных для другой операционной системы, имеющей совсем другой интерфейс прикладного программирования. Примером реализации принципа виртуализации может служить VDM-машина (Virtual DOS Machine) — защищенная подсистема, предоставляющая полную среду типа MS DOS и консоль для выполнения DOS-приложений. Как правило, параллельно может

выполняться практически произвольное число DOS-приложений, каждое в своей VDM-машине. Такие VDM-машины имеются и в операционных системах Windows 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 конкретными устройствами 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 принцип позволяет одинаково осуществлять операции управления внешними устройствами независимо 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 принцип независимости программ от внешних устройств. Независимость программ от внешних устройств реализуется в подавляющем большинстве операционных систем общего 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 даже были 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 мобильности

Мобильность, или переносимость, означает возможность и легкость переноса операционной системы на другую аппаратную платформу. Мобильная операционная система обычно разрабатывается с помощью специального языка высокого уровня, предназначенного для создания системного программного обеспечения. Такой язык помимо поддержки высокоуровневых операторов, типов данных и модульных конструкций должен позволять непосредственно использовать аппаратные возможности и особенности процессора. Кроме этого, такой язык должен быть широко распространенным и реализованным в виде систем программирования, которые либо уже имеются на целевой платформе, либо позволяют получать программные коды для целевого компьютера. Другими словами, этот язык системного программирования должен быть достаточно распространенным и технологичным. Одним из таких языков является язык С. В последние годы язык C++ также стал использоваться для этих целей, поскольку идеи объектно-ориентированного программирования оказались плодотворными не только для прикладного, но и для системного программирования. Большинство современных операционных систем были созданы именно как объектно-ориентированные.

Обеспечить переносимость операционной системы достаточно сложно. Дело в том что архитектуры разных процессоров могут очень сильно различаться. У них может быть разное количество рабочих регистров, причем часть регистров может оказаться контекстно-зависимыми, как это имеет место в процессорах с архитектурой ia32. Различия могут быть и в реализации адресации. Более того, для операционной системы важной является не только архитектура центрального процессора, но и архитектура компьютера в целом, ибо важнейшую роль играет подсистема ввода-вывода, а она строится на дополнительных (по отношению к центральному процессору) аппаратных средствах. В таких условиях сделать эффективным код операционной системы при условии создания его на языке типа C/C++ невозможно. Поэтому часть программных модулей, которые более всего зависят от аппаратных особенностей процессора, от типов поддерживаемых данных, способов адресации, системы команд и других важнейших моментов, разрабатывается на языке ассемблера. Очевидно, что модули, написанные на языке ассемблера, при переносе операционной системы на процессор с иной архитектурой должны быть написаны заново. Зато остальная (большая) часть кода операционной системы может быть просто перекомпилирована под целевой процессор. Именно по этому принципу в свое время была создана операционная система UNIX. Относительная легкость переноса этой системы на другие компьютеры позволила сделать ее одной из самых распространенных. Для обеспечения мобильности был даже создан стандарт на интерфейс прикладного программирования, названный POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments — интерфейс прикладного программирования для переносимых операционных систем).

К сожалению, на самом деле далеко не все операционные системы семейства UNIX допускают относительно простую переносимость созданного для них программного обеспечения, хотя сами они и поддерживают такую переносимость. Основная причина тому — отход от единого стандарта API — POSIX. Очевидно, что платой за универсальность, прежде всего, является потеря производительности при выполнении операций ввода-вывода и вычислений, связанных с этими операциями. Поэтому ряд разработчиков шли и до сих пор идут на отказ от принципа мобильности, поскольку не всегда следование этому принципу экономически оправдано.

Если при разработке операционной системы сразу не следовать принципу мобильности, то в последующем очень трудно обеспечить перенос на другую платформу как самой операционной системы, так и программного обеспечения, созданного для нее. Но даже если изначально в спецификации на операционную систему заложить требование легкой переносимости, то не значит, что его в последующем будет просто реализовать. Подтверждением тому является тот же проект OS/2-WindowsNT. Как известно, проект Windows NT обеспечивал работу этой операционной системы на процессорах с архитектурой ia32, MIPS, Alpha (DEC), PowerPC. Однако в последующем трудности с реализацией этого принципа привели к тому, что нынешние версии операционных систем класса Windows NT (Windows 2000/XP) уже создаются только для процессоров с архитектурой ia32 и не поддерживают MIPS, Alpha и Power PC.

1.5 Принцип совместимости

Одним из аспектов совместимости является способность операционной системы выполнять программы, написанные для других систем или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.

Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой операционной системе. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.

Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.

Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, программу для персонального компьютера типа IBM PC хочется выполнять на компьютере типа Мае от фирмы Apple), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является соответствие стандартам POSIX. Эти стандарты позволяют создавать программы в стиле UNIX, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

1.6 Принцип генерируемости

Согласно принципу генерируемости исходное представление центральной системной управляющей части операционной системы (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти) должно обеспечивать возможность настройки, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Под генерацией операционной системы понимается ее сборка (компоновка) из отдельных программных модулей. В результате генерации получают скомпонованные двоичные коды операционной системы и построенные системные таблицы, отражающие конкретную конфигурацию компьютера. Эта процедура проводится редко перед достаточно протяженным периодом эксплуатации операционной системы. Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия операционной системы. Сгенерированная версия операционной системы представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.

1.7 Принцип открытости

Открытая операционная система доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам, обслуживающим вычислительную систему. Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) операционная система позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Другими словами, необходимо, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, не нарушая целостности системы. Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию операционной системы по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом операционная система строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных служб — «серверов». Основная часть операционной системы может оставаться неизменной, в то время как добавляются новые службы или изменяются старые.

Этот принцип иногда трактуют как расширяемость системы. К открытым операционным системам прежде всего следует отнести UNIX-системы и, естественно, системы Linux.

Архитектура операционной системы

Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделяться на части — модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы. Напротив, сложную систему без хорошей структуры чаще проще разработать заново, чем модернизировать.

Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т. д.

Большинство современных операционных систем представляют собой хорошо структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.

Ядро и вспомогательные модули ОС

Наиболее общим подходом к структуризации операционной системы является разделение всех ее модулей на две группы:

ядро — модули, выполняющие основные функции ОС;
модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода и т. п. Ядро составляет сердцевину операционной системы, без него ОС является полностью неработоспособной и не сможет выполнить ни одну из своих функций.

В состав ядра входят функции, решающие внутрисистемные задачи организации вычислительного процесса, такие как переключение контекстов, загрузка/выгрузка станиц, обработка прерываний. Эти функции недоступны для приложений. Другой класс функций ядра служит для поддержки приложений, создавая для них так называемую прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами — системными вызовами — для выполнения тех или иных действий, например для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т. д. Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования — API.

Функции, выполняемые модулями ядра, являются наиболее часто используемыми функциями операционной системы, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра или большая их часть постоянно находятся в оперативной памяти, то есть являются резидентными.

Ядро является движущей силой всех вычислительных процессов в компьютерной системе, и крах ядра равносилен краху всей системы. Поэтому разработчики операционной системы уделяют особое внимание надежности кодов ядра, в результате процесс их отладки может растягиваться на многие месяцы.

Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.

ПРИМЕЧАНИЕ

Термин «ядро» в разных ОС трактуется по-разному. Одним из определяющих свойств ядра является работа в привилегированном режиме. Этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе.

Остальные модули ОС выполняют весьма полезные, но менее обязательные функции. Например, к таким вспомогательным модулям могут быть отнесены программы архивирования данных на магнитной ленте, дефрагментации диска, текстового редактора. Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотек процедур.

Поскольку некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного для данной ОС формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между операционной системой и приложениями (рис. 2.1).

Решение о том, является ли какая-либо программа частью ОС или^! нет, принимает производитель ОС. Среди многих факторов, способных повлиять на это решение, немаловажными являются перспективы того, будет ли программа иметь массовый спрос у потенциальных пользователей данной ОС.

Некоторая программа может существовать определенное время как пользовательское приложение, а потом стать частью ОС, или наоборот. Ярким примером такого изменения статуса программы является Web-браузер компании Microsoft, который сначала поставлялся как отдельное приложение, затем стал частью операционных систем Windows NT 4.0 и Windows 95/98, а сегодня существует большая вероятность того, что по решению суда этот браузер снова превратится в самостоятельное приложение.