Лекция 4. Основные концепции теории ОС

ПОНЯТИЕ ПРОЦЕССА

 

Процессом называется некоторая деятельность, выполняемая на процессоре. Процессором в широком смысле называется любое устройство в составе ЭВМ, способное автоматически выполнять определенную последовательность действий по программе, хранимой в памяти ЭВМ. Можно утверждать, что архитектура современной ЭВМ является многопроцессорной.

Процесс, выполняемый на центральном процессоре (внутренний процесс), представляет собой программу. При исполнении программ на центральном процессоре выделяются следующие допустимые состояния:

1. порождение – подготавливаются условия для первого исполнения программы на процессоре;

2. активность – программа исполняется на процессоре;

3. ожидание – программа не исполняется на процессоре из-за отсутствия какого-либо требуемого ресурса;

4. готовность – программа не исполняется, имея все необходимые ресурсы, кроме ЦП;

5. окончание – нормальное или аварийное завершение программы, после чего ЦП и другие ресурсы ей не предоставляются.

Интервал времени между порождением и завершением называется интервалом существования процесса.

Допустимые состояния процесса и переходы между ними удобно изображать в виде графа существования процесса (рис. 1).

Завершение

Порождение

Готовность

Активность

Ожидание

 

 

Рис.1. Граф существования процесса

 

Рассмотрим классификацию процессов по ряду признаков (рис. 2).

1. Процессы, которые необходимо завершить до наступления конкретного момента времени, называются процессами реального времени.

2. Процессы, время существования которых не превышает времени допустимой реакции на запросы пользователя, называются интерактивными.

3. Остальные процессы называются пакетными.

Процессы, развивающиеся на ЦП, называется внутренними, или программными. Процессы, развивающиеся на других процессорах, отличных от ЦП, называются внешними (процессы ввода-вывода).

Программные процессы, в свою очередь, делятся на системные (исполняется программа из состава ОС) и пользовательские (исполняется прикладная программа).

Два процесса, имеющие одинаковый конечный результат при одинаковых исходных данных называются эквивалентными. Если при этом используется одна и та же программа, то процессы называются тождественными. Если совпадают трассы процессов, то они равные. Во всех остальных случаях процессы различные.

Если интервалы существования двух процессов не пересекаются во времени, то это последовательные процессы. В противном случае – параллельные. Если на части рассматриваемого интервала процессы развиваются одновременно, то они комбинированные.

Если между процессами возникают связи всевозможных типов (функциональные, пространственно-временные, управляющие, информационные и т.д.), то процессы являются взаимосвязанными.

Процесс, по требованию которого образуется другой процесс, называется порождающим. Образованный процесс называется порожденным. Управляющий тип связи определяется отношением порождающего к порождаемому.

Если два процесса совместно используют некоторые ресурсы, но не обмениваются информацией, они называются информационно - независимыми. При наличии информационной связи, они являются взаимодействующими.

Если необходимо акцентировать внимание на совместном использовании двумя процессами одного и того же ресурса, их называют конкурирующими.

 

Принадлеж ность к ЦП

Внутренние

Внешние

Принадлежность к ОС

Системные

Пользовательские

Динамический признак

Последователь ные

Параллельные

Комбинирован ные

Связность

Изолированные

Информационно независимые

Взаимодействующие

Конкурирующие

Результатив ность

Различные

Эквивалентные

Тождественные

Равные

Генеалоги ческий признак

Порождающие

Порожденные

Процессы

 

 

Рис.2. Схема классификации процессов

 

 

Допустимые отношения между взаимосвязанными процессами определяются тремя синхронизирующими правилами:

1. Отношение предшествования. Первый из двух процессов должен переходить в активное состояние всегда раньше второго.

2. Отношение приоритетности. Процесс, имеющий приоритет P, активизируется при соблюдении двух условий:

· в состоянии готовности нет процессов с большим приоритетом;

· процессор либо свободен, либо используется менее приоритетным, чем Р процессом.

3. Отношение взаимного исключения. Если два процесса используют общий ресурс, допускающий только последовательное использование (критический ресурс), то действия одного процесса над этим ресурсом не должны выполняться одновременно с действиями другого процесса. Сами эти действия процесса над критическим ресурсом называются критической областью.

 

 

ПОНЯТИЕ РЕСУРСА

 

Одной из функций ОС является обеспечение эффективного и бесконфликтного способа управления ресурсами вычислительной системы.

Под ресурсом часто понимается показатель надежности некоторого объекта. В данном случае мы будем использовать это слово в другом его значении.

Ресурс – запас некоторых материальных предметов, либо энергетических, структурных или каких-либо других внутренних характеристик предмета в составе некоторого объекта. В таком понимании ресурс характеризуется двумя свойствами: полезность и исчерпаемость. Полезность подразумевает, что ресурс необходим потребителю для поддержания процесса его жизнедеятельности. Исчерпаемость означает, что по истечении некоторого времени ресурс может иссякнуть. Воспроизводимые ресурсы восполняются по мере их окончания. Бывают и неисчерпаемые ресурсы.

Применительно к вычислительной системе под ресурсом будем понимать распределяемые элементы, обладающие потенциальными возможностями выполнения с их помощью или над ними действий, связанных с обработкой, хранением или передачей данных. В зависимости от уровня детализации ресурсом может быть и отдельная ячейка памяти, и ЭВМ в целом.

Потребителями ресурсов являются процессы. Напомним, что под процессом понимается любое действие, связанное с исполнением некоторой программы на процессоре. С точки зрения процесса ресурсом является любое средство вычислительной системы, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени.

Рассмотрим классификацию ресурсов по ряду признаков (рис. 3).

По реальности существования ресурсы делятся на физические и виртуальные. Виртуальный ресурс представляет собой модель, имитирующую какой-либо реально существующий физический ресурс.

Физические ресурсы, допускающие виртуализацию, называются эластичными, в противном случае они жесткие.

Активные ресурсы, в отличие от пассивных, сами способны выполнять действия по отношению к другим ресурсам (в том числе и по отношению к самим себе). Примером активного ресурса является центральный процессор, пассивного – оперативная память.

Постоянные ресурсы существуют на всем интервале времени существования процесса, временные могут порождаться и уничтожаться в системе динамически.

Степень важности

Второстепенные

Главные

Реальность существования

Виртуальные

Физические

Возможность расширения свойств

Жесткие

Эластичные

Восстанавливаемость

Потребляемые

Воспроизводимые

Структура

Составные

Простые

Форма реализации

Твердые

Мягкие

Степень активности

Пассивные

Активные

Время существования

Временные

Постоянные

Характер использования

Последовательно используемые

Параллельно- используемые

Функциональная избыточность

Дешевые

Дорогие

Ресурсы

 

Рис. 3. Схема классификации ресурсов

По степени важности различают главные ресурсы, без которых процесс на может развиваться (ЦП, ОП) и второстепенные. В случае аварийной ситуации процесс может лишиться второстепенных ресурсов, но будет развиваться, имея в своем распоряжении только главные ресурсы (хотя и не достигнет при этом всех запланированных целей).

Простой ресурс – ресурс, рассматриваемый как единое целое. Составной ресурс состоит из однотипных элементов с одинаковыми характеристиками. Механизм выделения составного ресурса должен включать средства учета и распределения его элементов.

Если ресурс допускает многократное повторение над ним цепочки действий «запрос-использование-освобождение», то он называется воспроизводимым. Время жизни такого ресурса считается бесконечно большим.

Если после прохождения цепочки «освобождение-запрос-использование» ресурс изымается из сферы потребления, то он называется потребляемым.

 

КОНЦЕПЦИЯ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

 

Виртуализация того или иного ресурса осуществляется в рамках централизованной схемы распределения ресурсов. Путем виртуализации осуществляются две формы обмана пользователей:

1) Пользователь обеспечивается при обслуживании своего процесса ресурсом, который реально не существует, или существует, но с худшими свойствами. В выигрыше оказывается пользователь, получая ресурсы с наиболее устраивающими его характеристиками.

2) Для нескольких параллельных процессов создается иллюзия одновременного использования нескольких экземпляров того, что реально существует в системе в единственном экземпляре. Тем самым снимается ограничение на количество распределяемых ресурсов, что увеличивает скорость развития процессов и обеспечивает гибкость по управлению ими.

Для иллюстрации вышесказанного приведем конкретные примеры виртуальных ресурсов.

Рассмотрим очередь заявок от отдельных процессов к интервальному таймеру. Это устройство реально присутствует в системе в одном экземпляре, но на его основе средствами соответствующего распределителя строится произвольное число виртуальных интервальных таймеров. Для этого заявки упорядочиваются по возрастанию требуемых значений временных интервалов, и обслуживание начинается с заявки на меньший интервал. После очередного прерывания на таймере устанавливается интервал, равный разности между моментом времени, когда должно произойти следующее прерывание, и моментом времени возникновения текущего прерывания.

Виртуализация используется и при распределении такого дорогого ресурса как канал, причем распределитель реального канала реализуется аппаратно. Переключение канала во времени между нуждающимися в нем устройствами происходит таким образом, что для каждого устройства создается иллюзия использования собственного канала. Канал, разделяемый таким образом, называется мультиплексным.

Чаще всего осуществляется виртуализация периферийных устройств. Например, доступ к данным на компакт-диске современные ОС организуют таким образом, что у пользователя создается иллюзия работы с магнитным диском. В ОС UNIX путем виртуализации драйверы различных по видам доступа ПУ создают для пользователя видимость, что он работает с устройствами, обеспечивающими передачу и хранение прямоадресуемых блоков по 512 байт.

Интересным примером виртуального устройства является нулевое устройство NUL. При направлении на него данных они неограниченно поглощаются, а при попытке чтения с него сразу выдается признак конца файла.

В любой многозадачной системе имеется спулинг – процесс обработки выходных данных, направляемых на печатающее устройство (принтер). Его реализация проста – создаваемые виртуальные печатающие устройства моделируются с помощью буферов, представляющих собой области внешней памяти (обычно дисковой). Фактическая передача информации на печатающее устройство происходит только после того, как заканчивается процесс, являющийся поставщиком информации в выходной буфер.

В конечном счете, виртуальный ресурс моделируется некоторым процессом, причем для построения виртуальных ресурсов используются дополнительные реальные ресурсы.

Наиболее характерным представителем виртуального ресурса, построенного на базе эластичного пассивного ресурса, является виртуальная память.

 

Вершиной концепции виртуализации является понятие виртуальной машины. По сути дела любая ОС создает для пользователя виртуальную машину. Чаще всего она воспроизводит архитектуру реальной машины, но с новыми или улучшенными характеристиками, а именно:

· бесконечная по объему память с произвольно выбираемым наиболее удобным для пользователя способом доступа к хранимым в ней объектам;

· один или несколько процессоров, способных выполнять действия, выраженные в терминах, понятных пользователю;

· произвольное количество внешних устройств с удобным способом доступа и представлением информации.

Концепция виртуализации лежит в основе метода восходящего проектирования и разработки ОС. В соответствии с этим ОС строится как иерархия вложенных друг в друга виртуальных машин. Низший уровень представляет собой аппаратные средства машины, далее следуют программные слои.

 

4.4. ДИСЦИПЛИНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ НА ОСНОВЕ ОЧЕРЕДЕЙ

 

Одновременное выполнение нескольких пользовательских программ (мультипрограммирование) неизбежно приводит к появлению очередей, возникающих при обращении процессов к различным ресурсам (центральный процессор, каналы, внешние устройства, наборы данных, модули ОС и т.д.). Очередь формируется из заявок на использование ресурса, поступающих от процессов. Заявки на кратковременное использование ресурса будем называть короткими, а заявки на длительное использование ресурса соответственно длинными. Не все заявки считаются равноправными, существуют различные системы приоритетов.

Очереди необходимо как формировать, так и обслуживать на основе определенных правил – дисциплин. В зависимости от способа назначения приоритетов, дисциплины формирования очередей делятся на два класса:

· статический – приоритеты назначаются до выполнения задания;

· динамический – приоритеты определяются в процессе выполнения пакета программ. Рассмотрим наиболее распространенные дисциплины обслуживания очередей.

Одноочередные дисциплины обслуживания.

а) FIFO (First In -- First Out) – дисциплина обслуживания в порядке поступления. Все заявки поступают в конец очереди. Первыми обслуживаются заявки, находящиеся в начале очереди. Схематически эта дисциплина показана на рис. 4а.

б) LIFO (Last In -- First Out) – дисциплина обслуживания в порядке, обратном порядку поступления. Эта дисциплина является основой построения стековой памяти. Схема дисциплины представлена на рис.4б.

Обе рассмотренные дисциплины просты в реализации. Среднее время ожидания заявок в очереди при установившихся темпе обслуживания и поступления одинаково для всех процессов, независимо от того, как надолго процессу требуется распределяемый ресурс.

в) Дисциплина обслуживания по круговому циклическому алгоритму. Схема данной дисциплины показана на рис.4в.

 

ОЧЕРЕДЬ

Новая заявка

Обслуживание заявки

а)

 

Обслуживание заявки

ОЧЕРЕДЬ

Новая заявка

б)

 

Новая заявка

ОЧЕРЕДЬ

Обслуженная заявка

РЕСУРС

tk Квант обслуживания

в)

 

 

Рис.4. Схемы одноочередных дисциплин обслуживания процессов:

а – первый пришел – первый обслужился;

б – последний пришел – первый обслужился;

в – круговой циклический алгоритм

 

Эта дисциплина используется, в частности, при реализации режима разделения времени. В ее основе лежит дисциплина FIFO. Квант времени обслуживания t_k (квант мультиплексирования) ограничивает длительность обслуживания процесса. Если заявка не успевает обслужиться за время t_k, то ее обслуживание прерывается, и она поступает в конец очереди. Здесь имеет место «дискриминация» – в наиболее благоприятных условиях оказываются короткие заявки, они имеют меньшие времена ожидания. Степень благоприятствования коротким заявкам тем больше, чем меньше длительность кванта мультиплексирования. Однако уменьшение t_k ведет к увеличению накладных расходов, необходимых для обработки прерываний и перераспределения ресурса.

Многоочередная дисциплина обслуживания. Схема данной дисциплины приведена на рис. 5.

 

Обслуживание не закончено (в конец очереди i+1)

Новая заявка

ОЧЕРЕДЬ 1

ОЧЕРЕДЬ 2

ОЧЕРЕДЬ i

ОЧЕРЕДЬ N-1

ОЧЕРЕДЬ N

Обслуженная заявка

РЕСУРС

tk Квант обслуживания

 

 

Рис.5. Схема многоочередной дисциплины обслуживания

Здесь N очередей, все новые заявки поступают в конец первой очереди. Первая заявка из очереди i (1 < i £ N) поступает на обслуживание лишь тогда, когда все очереди от 1-й до (i-1)-й пустые. Если за время t_k обслуживание процесса завершается полностью, то он покидает систему. В противном случае недообслуженная заявка поступает в конец очереди с номером i+1. После обслуживания заявки из очереди i система выбирает для обслуживания запрос из непустой очереди с самым младшим номером. Если система выходит на обслуживание заявок из очереди N, то они обслуживаются либо по дисциплине FIFO, либо по круговому алгоритму. Данная система наиболее быстро обслуживает все короткие запросы. Недостаток системы заключается в непроизводительных затратах времени на перемещение заявок из одной очереди в другую.

Дисциплина обслуживания при наличии приоритетов. Такая дисциплина строится на основе рассмотренной выше многоочередной дисциплины. На рис.6. приводится ее условная схема.

 

Обслуживание не закончено (в конец очереди i+1)

ОЧЕРЕДЬ 1

ОЧЕРЕДЬ 2

ОЧЕРЕДЬ i

ОЧЕРЕДЬ N-1

ОЧЕРЕДЬ N

Обслуженная заявка

РЕСУРС

tk Квант обслуживания

Новая заявка

Направить в очередь i (1 £ i £ N)

 

 

Рис.6. Схема приоритетной многоочередной дисциплины обслуживания

 

Поступающая в систему новая заявка попадает в одну из N очередей в соответствии с имеющимся приоритетом, определяющимся параметрами обслуживаемых процессов. Первыми обслуживаются заявки из очереди с меньшим номером как имеющие более высокий приоритет. Возможны две стратегии поведения системы по отношению к новым заявкам.

а) Обслуживание с абсолютным приоритетом. Если во время обслуживания заявки из очереди i (1 < i £ N) в систему поступает более приоритетная заявка, например, в очередь i-1, то обслуживание i-го уровня прерывается и система переходит к обслуживанию поступившей заявки. После окончания ее обслуживания происходит дообслуживание прерванной заявки i-го уровня. Здесь еще больше сокращается время ожидания обслуживания для высокоприоритетных заявок за счет ухудшения обслуживания низкоприоритетных. В то же время усложняется логика системы, возникает проблема прерывания, появляются накладные расходы. При достаточной интенсивности прерываний расходы могут стать ощутимыми. Возникает также дополнительная проблема выработки некоторого правила о дообслуживании прерванных процессов – когда выделять им вновь ресурс, учитывать ли, что он уже какое-то время использовался?

б) Обслуживание с относительным приоритетом. Заявка, входящая в систему, не вызывает прерывания обслуживаемой в данный момент заявки, даже если последняя имеет меньший приоритет. Только после окончания обслуживания текущей заявки начнется обслуживание более приоритетной поступившей заявки.

Применение рассмотренных дисциплин обслуживания очередей на практике связано с рядом дополнительных проблем. При распределении сразу нескольких ресурсов для каждого из них должна быть разработана стратегия распределения, согласованная со стратегиями распределения других ресурсов. Дело осложняется также необходимостью анализа возможности возникновения тупиковых ситуаций, проверки полномочий процессов на использование тех или иных ресурсов и т.д.

Следует заметить, что существуют и другие дисциплины обслуживания очередей, особенно в отношении статического и динамического распределения оперативной памяти.

 

СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ

 

Ситуация, которая возникает в результате воздействия какого-то независимого события, приводящего к временному прекращению выполнения последовательности команд одной программы с целью выполнения последовательности команд другой программы, называется прерыванием. Управление процессами в многозадачном режиме работы ЭВМ основано на использовании механизма прерываний. Прерывания необходимы, например, при обслуживании очередей запросов на распределение ресурсов, при проведении синхронизации между параллельными процессами и т.д. Программа может быть прервана из-за отсутствия в оперативной памяти данных, подлежащих обработке, или может быть прервана программой с более высоким приоритетом. Причиной прерывания может быть неисправность в работе аппаратуры, обнаруженная системой диагностики.

В зависимости от системной причины можно выделить прерывания первого и второго рода.

В случае прерывания первого рода процесс сам является «виновником» прерывания, т.е. процесс, находящийся в активном состоянии, вызывает прерывание самого себя. Это происходит в следующих ситуациях:

1) возникает потребность получить некоторый ресурс, отказаться от него либо выполнить над ресурсом какие-либо действия;

2) процесс выполняет какие-либо действия в отношении другого процесса, например, порождает или уничтожает его.

При таких прерываниях процесс в явной форме выражает требование к ОС на прерывание самого себя. Это реализуется в форме команд, представленных в пользовательской программе. При их выполнении происходит переключение ЦП с обслуживания программы на работу ОС, которая подготавливает и обеспечивает выполнение соответствующего прерывания. К прерываниям первого рода относятся также внутренние прерывания, связанные с работой ЦП (арифметическое переполнение, исчезновение порядка в операциях с плавающей точкой, обращение к защищенной области оперативной памяти и т.д.). В этом случае «виновником» прерывания также является сам процесс, хотя явный запрос на прерывание отсутствует.

Системной причиной прерывания второго рода является необходимость синхронизации параллельных процессов. Процессы, подчиненные ОС, в случае их окончания или в других ситуациях вырабатывают сигнал прерывания, что приводит к прекращению обслуживания ЦП других активных процессов «без их ведома».

При обработке прерывания нужно выполнить следующую последовательность действий:

1) восприятие запроса на прерывание;

2) запоминание состояния прерванного процесса (значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы ЦП и т.д.);

3) передача управления программе обработки прерываний, для чего в счетчик команд заносится адрес, уникальный для каждого типа прерывания;

4) обработка прерывания;

5) восстановление нормальной работы.

В большинстве ЭВМ этапы 1-3 реализуется аппаратно, а этапы 4-5 - операционной системой.

 

 

Рассмотрим изменения состояний центрального процессора, связанные с возникновением и обработкой прерываний (рис.7). ЦП может функционировать в одном из четырех независимых состояний: P1 – выполнение прикладных программ, P2 – обработка прерываний, P3 – анализ прерываний, P4 – обработка прерываний от схем контроля машины. В состоянии P1 выполняются программы пользователя, выполнение любого прерывания допустимо. В состоянии P2 выполняется программа соответствующего обработчика прерываний, так же как и в предыдущем состоянии допустимо любое прерывание. В состоянии P3 система определяет тип прерывания и соответствующую программу его обработки. Переключение в состояние P3 из состояний P1 и P2 происходит всегда автоматически при возникновении любого прерывания, кроме прерываний от схем контроля машины. Переключение ЦП из состояния P3 в состояние P1 или P2 происходит по командам управления. В состоянии P3 все прерывания, кроме прерываний от схем контроля, запрещены. Процессор автоматически переключается в состояние P4 из любого состояния (P1, P2, P3) при появлении прерывания от схем контроля машины. Из состояния P4 нельзя вернуться ни в какое другое состояние без принятия мер по устранению сбойной ситуации.

 

 

Прерывание

По командам управления

По командам управления

Прерывание

P4 Обработка прерываний от схем контроля машины

P3

Анализ прерываний   прерывания запрещены (кроме прерываний от схем контроля)

P1 Выполнение прикладных программ

P2 Обработка прерываний

Прерывание

Прерывание

Прерывание

 

 

Рис. 7. Характер переходов процессора между допустимыми состояниями, обусловленных возникновением и обработкой прерываний

 

 

В зависимости от характера прерываний можно выделить пять уровней:

· прерывания от систем контроля и диагностики, связанные с неисправностями в аппаратуре;

· прерывание при обращении к ОС с целью получения каких-либо услуг;

· программные или внутренние прерывания, связанные с ошибками в ЦП при выполнении программы;

· внешние прерывания, обусловленные прерыванием программы оператором, по сигналу из линии связи и т.д.;

· прерывания от устройств ввода-вывода, инициированные внешними процессами.

 

Для каждого уровня прерываний в ОС имеются системные программы обработки прерываний. Нередко поступает сразу несколько запросов на прерывания, при этом они выстраиваются в очередь в соответствии со своими приоритетами. Порядок поступления запросов строго определен:

1) прерывания от схем контроля;

2) программные прерывания или прерывания при обращении к ОС (не могут появляться одновременно);

3) внешние прерывания;

4) прерывания от устройств ввода-вывода.

Обработка прерываний происходит в порядке, обратном его поступлению и соответствует их важности: ввод-вывод, внешние, программные и обращения к ОС. Прерывания от схем контроля идут вне очереди и блокируют обработку всех других прерываний.

Прерывания производятся всегда после того, как выполнение текущей команды закончилось, а выполнение следующей не началось. При машинных сбоях этот порядок может быть нарушен.

Прерывания поступают на обработку, если процессор не замаскирован по отношению к данному типу прерываний. Маскирование – это запрет на прерывания. Если прерывания замаскировано и поступил запрос на него, то он либо ждет, пока сможет быть воспринят, либо теряется. Замаскированными могут быть прерывания от устройств ввода-вывода, внешние прерывания, часть программных прерываний и прерывания от схем контроля.

Замаскированные прерывания от устройств ввода-вывода и внешних прерываний хранятся до тех пор, пока ЦП не сможет их воспринять, а замаскированные программные прерывания от схем контроля теряются.

Информация, необходимая для обработки прерываний, запоминается в специальной области памяти в виде регистра и слова-состояния программы (ССП). Регистр прерываний представляет собой слово, каждый бит которого соответствует единственной причине прерывания.

Слово состояния программы хранит информацию о состоянии процессора для последующего анализа, восстановления нормального продолжения прерванной программы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Перечислите принципы построения ОС и дайте их краткую характеристику.

2. Что такое процесс и чем он отличается от программы? Каковы допустимые состояния процесса?

3. Как осуществляется классификация процессов? Приведите примеры.

4. Поясните понятие ресурса. Дайте классификацию ресурсов и приведите примеры.

5. В чем состоит концепция виртуализации? Приведите примеры виртуальных ресурсов.

6. Какие основные бесприоритетные дисциплины используются при обслуживании очередей процессов?

7. Как устроена дисциплина приоритетного обслуживания очереди процессов?

8. Что такое прерывания, и каковы их причины? Какова последовательность действий по обработке прерываний?

9. Приведите классификацию прерываний по уровням. Каким образом порядок обслуживания прерываний зависит от их уровня?

 

Операционная система (ОС) в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

ОС как виртуальная (расширенная) машина. Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. (Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать.) При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы подобные тому, в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения головок, не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи – это операционная система. Операционная система также берет на себя такие функции как обработка прерываний, управление таймерами и оперативной памятью и т.д.

С точки зрения пользователя функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину, тем самым скрывая от пользователя детали управления оборудованием (hardware)

Этот принцип иллюстрируется рис.1.

 

Рис. 1. Операционная система, процессы, оборудование

 

 

Как видно из рисунка, ОС играет роль "прослойки" между процессами пользователей и оборудованием системы. (Под оборудованием понимаются, как правило, внешние устройства, но можно трактовать этот термин и шире - включая в него все первичные ресурсы). Процессы пользователей не имеют непосредственного доступа к оборудованию и, говоря шире, к системным ресурсам. Если процессу необходимо выполнить операцию с системным ресурсом, в том числе, и с оборудованием, процесс выдает системный вызов. ОС интерпретирует системный вызов, проверяет его корректность, возможно, помещает в очередь запросов и выполняет его. Если выполнение вызова связано с операциями на оборудовании, ОС формирует и выдает на оборудование требуемые управляющие воздействия. Оборудование, выполнив операцию, заданную управляющими воздействиями, сигнализирует об этом прерыванием. Прерывание поступает в ядро ОС, которое анализирует его и формирует отклик для процесса, выдавшего системный вызов. Если выполнение системного вызова не требует операций на оборудовании, отклик может быть сформирован немедленно.

Управляющие воздействия и прерывания составляют интерфейс оборудования, системные вызовы и отклики на них - интерфейс процессов. В качестве синонима интерфейса процессов мы в соответствии со сложившейся в последнее время традицией часто будем употреблять аббревиатуру API (Application Programm Interface - интерфейс прикладной программы).

Отделение процессов пользователя от оборудования преследует две цели.

Во-первых, - безопасность. Если пользователь не имеет прямого доступа к оборудованию и вообще к системным ресурсам, то он не может вывести их из строя или монопольно использовать в ущерб другим пользователям. Обеспечение этой цели нуждается в аппаратной поддержке, рассматриваемой в следующем разделе.

Во-вторых, - обеспечение абстрагирования п