УЗБЕКСКОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ФАКУЛЬТЕТ "ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ

«ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ»

№	Содержание
	Введение.	3
Глава 1.	Основные понятия	5
Глава 2.	Управление задачами	47
Глава 3.	Управление памятью в операционных системах	72
Глава 4.	Особенности архитектуры микропроцессоров i80x86 для организации мультипрограммных операционных систем	104
Глава 5.	Управление вводом-выводом в операционных системах	136
Глава 6.	Файловые системы	172
Глава 7.	Организация параллельных взаимодействующих вычислений	222
Глава 8.	Проблема тупиков и методы борьбы с ними	262
Глава 9.	Архитектура операционных систем	291
Глава 10.	Краткий обзор современных операционных систем	328

Введение

Как известно, процесс проникновения информационных технологий практически во все сферы человеческой деятельности продолжает развиваться и углубляться. Помимо уже привычных и широко распространенных персональных компьютеров, общее число которых достигло многих сотен миллионов, становится все больше и встроенных средств вычислительной техники. Пользователей всей этой разнообразной вычислительной техники становится все больше, причем наблюдается развитие двух вроде бы противоположных тенденций. С одной стороны, информационные технологии все усложняются, и для их применения, и тем более дальнейшего развития, требуется иметь очень глубокие познания. С другой стороны, упрощаются интерфейсы взаимодействия пользователей с компьютерами. Компьютеры и информационные системы становятся все более дружественными и понятными даже для человека, не являющегося специалистом в области информатики и вычислительной техники. Это стало возможным прежде всего потому, что пользователи и их программы взаимодействуют с вычислительной техникой посредством специального (системного) программного обеспечения — через операционную систему.

Операционная система предоставляет интерфейсы и для выполняющихся приложений, и для пользователей. Программы пользователей, да и многие служебные программы запрашивают у операционной системы выполнение тех операций, которые достаточно часто встречаются практически в любой программе. К таким операциям, прежде всего, относятся операции ввода-вывода, запуск или останов какой-нибудь программы, получение дополнительного блока памяти или его освобождение и многие другие. Подобные операции невыгодно каждый раз программировать заново и непосредственно размещать в виде двоичного кода в теле программы, их удобнее собрать вместе и предоставлять для выполнения по запросу из программ. Это и есть одна из важнейших функций операционных систем. Прикладные программы, да и многие системные обрабатывающие программы (такие, например, как системы программирования или системы управления базами данных), не имеют непосредственного доступа к аппаратуре компьютера, а взаимодействуют с ней только через обращения к операционной системе. Пользователи также путем ввода команд операционной системы или выбором возможных действий, предлагаемых системой, взаимодействуют с компьютером и своими программами. Такое взаимодействие осуществляется исключительно через операционную систему. Помимо выполнения этой важнейшей функции операционные системы отвечают за эффективное распределение вычислительных ресурсов и организацию надежных вычислений.

Знание основ организации операционных систем и принципов их функционирования позволяет использовать компьютеры более эффективно. Глубокое изучение операционных систем позволяет применить эти знания прежде всего при создании программного обеспечения. Если, к большому сожалению, в нашей стране в последние годы практически не создаются новые операционные системы, то разработки сложных информационных систем, комплексов программ и отдельных приложений, предназначенных для работы в широко распространенных операционных системах, ведутся достаточно интенсивно, причем большим числом организаций. И здесь знание операционных систем, принципов их функционирования, методов организации вычислений является не только желательным, но обязательным.

Глава 1. Основные понятия

Эта глава является вводной и, пожалуй, самой главной. Любой предмет имеет свои основные понятия и положения. Не является исключением и дисциплина «Операционные системы». К основным понятиям, без которых практически невозможно по-настоящему изучить эту дисциплину, понять основные принципы организации вычислений, взаимодействия прикладных программ с операционной системой и пользователей с компьютерами, следует, прежде всего, отнести понятия вычислительных процессов и ресурсов, системной программы, супервизора, операционной среды, прерываний. Мы также рассмотрим относительно новые понятия, к которым относятся поток выполнения и задача: они дополняют понятие вычислительного процесса и позволяют более эффективно организовать работу компьютера. Поскольку абсолютное большинство операционных систем обеспечивают возможность параллельного выполнения нескольких программ, мы познакомимся с понятием мультипрограммирования. Завершается глава обзором основных общепринятых классификаций.

Назначение и функции операционных систем

Операционные системы относятся к системному программному обеспечению. Как известно, все программное обеспечение разделяется на системное и прикладное. К системному программному обеспечению принято относить такие программы и комплексы программ, которые являются общими, без которых невозможно выполнение или создание других программ. История появления и развития системного программного обеспечения началась с того момента, когда люди осознали, что любая программа требует операций ввода-вывода данных. Это произошло в далекие 50-е годы прошлого столетия. Собственно операционные системы появились чуть позже.

Действительно, если мы не будем иметь возможности изменять исходные данные и получать результаты вычислений, то зачем вообще эти вычисления? Очевидно, что исходные данные могут вводиться различными способами. На практике используются самые разнообразные устройства и методы. Например, мы можем вводить исходные значения с клавиатуры, задавать нужные действия или функции с помощью указателя мыши, считывать записи из файла, снимать оцифрованные значения с датчиков и т. д. Часть исходных данных может быть передана в программу через область памяти, и которую предварительно другая программа занесла свои результаты вычислений. Способов много. Главное — выполнить в программе некоторые действия, связанные с получением исходных данных.

Аналогично, и вывод результатов может быть организован, например, на соответствующие устройства и в форме, удобной для восприятия ее человеком. Либо результаты расчетов будут отправляться программой на какие-нибудь исполнительные устройства, которые управляются компьютером. Наконец, мы можем организовать запись полученных значений на некие устройства хранения данных (с целью их дальнейшей обработки).

Программирование операций ввода-вывода относится к одной из самых трудоемких областей создания программного обеспечения. Здесь речь идет не об использовании операторов типа READ или WRITE в языках высокого уровня. Речь идет о необходимости создать подпрограмму в машинном виде, уже готовую к выполнению на компьютере, а не написанную с помощью некоторой системы программирования (систем программирования тогда еще не было), подпрограмму, вместо обычных вычислений управляющую тем устройством, которое должно участвовать в операциях ввода исходных данных или вывода результатов. При наличии такой подпрограммы программист может обращаться к ней столько раз, сколько операций ввода-вывода с этим устройством ему требуется. Для выполнения этой работы программисту недостаточно хорошо знать архитектуру вычислительного комплекса и уметь создавать программы на языке ассемблера. Он должен отлично знать и интерфейс, с помощью которого устройство подключено к центральной части компьютера, и алгоритм функционирования устройства управления устройства ввода-вывода.

Очевидно, что имело смысл создать набор подпрограмм управления операциями ввода-вывода и использовать его в своих программах, чтобы не заставлять программистов каждый раз заново программировать все эти операции, С этого и началась история системного программного обеспечения. Впоследствии набор подпрограмм ввода-вывода стали организовывать в виде специальной библиотеки ввода-вывода, а затем появились и сами операционные системы. Основной причиной их появления было желание автоматизировать процесс подготовки вычислительного комплекса к выполнению программы.

В 50-е годы взаимодействие пользователей с вычислительным комплексом было совершенно иным, чем нынче. Программист-кодер (от англ. coder – кодировщик) – специально подготовленный специалист, знающий архитектуру компьютера язык(и) программирования, - по заказу составлял текст программы, часто по уже готовому алгоритму, разработанному программистом-алгоритмистом. Текст этой программы затем отдавался оператору, который набирал его-на специальных устройствах и переносил на соответствующие носители. Чаще всего в качестве носителей использовались перфокарты или перфолента. Далее колода с перфокартами (перфолента) передавалась в вычислительный зал, где для вычислений по этой программе следующие действия.

1. Оператор вычислительного комплекса с пульта вводил в рабочие регистры центрального процессора и в оперативную память компьютера ту первоначальную программу, которая позволяла считать в память программу для трансляции исходных кодов и получения машинной (двоичной) программы (проще говоря, транслятор, который тоже хранился на перфокартах или перфоленте).

2. Транслятор считывал исходную программу, осуществлял лексический разбор исходного текста, и промежуточные результаты процесса трансляции зачастую так же выводили на перфокарты (перфоленту). Трансляция — сложный процесс, часто требующий нескольких проходов. Порой для выполнения очередного прохода приходилось в память компьютера загружать с перфокарт и следующую часть транслятора, и промежуточные результаты трансляции. Ведь результат трансляции выводился также на носители информации, поскольку объем оперативной памяти был небольшим, а задача трансляции — это очень сложная задача.

3. Оператор загружал в оперативную память компьютера полученные двоичные коды оттранслированной программы и подгружал двоичные коды тех системных подпрограмм, которые реализовывали управление операциями ввода-вывода. После этого готовая программа, расположенная в памяти, могла сама считывать исходные данные и осуществлять необходимые вычисления.

В случае обнаружения ошибок на одном из этих этапов или после анализа полученных результатов весь цикл необходимо было повторить.

Для автоматизации труда программиста (кодера) стали разрабатывать специальные алгоритмические языки высокого уровня, а для автоматизации труда оператора вычислительного комплекса была разработана специальная управляющая программа, загрузив которую в память один раз оператор мог ее далее использовать неоднократно и более не обращаться к процедуре программирования ЭВМ через пульт оператора. Именно эту управляющую программу и стали называть операционной системой. Со временем на нее стали возлагать все больше и больше задач, она стала расти в объеме. Прежде всего разработчики стремились к тому, чтобы операционная система как можно более эффективно распределяла вычислительные ресурсы компьютера, ведь в 60-е годы операционные системы уже позволяли организовать параллельное выполнение нескольких программ. Помимо задач распределения ресурсов появились задачи обеспечения надежности вычислений. К началу 70-х годов диалоговый режим работы с компьютером стал преобладающим, и у операционных систем стремительно начали развиваться интерфейсные возможности. Напомним, что термином интерфейс (interface) обозначают целый комплекс спецификаций, определяющих конкретный способ взаимодействия пользователя с компьютером.

На сегодняшний день можно констатировать, что операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных¹ управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны,

¹ Системными принято называть такие программы, которые используются всеми остальными программами.

предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Можно попробовать перечислить основные функции операционных систем.

· Прием от пользователя (или от оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.). хотя имеются и иные команды.

· Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.

· Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.

· Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

· Идентификация всех программ и данных.

· Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений. Операционная система умеет выполнять очень большое количество системных функций (сервисов), которые могут быть запрошены из выполняющейся программы. Обращение к этим сервисам осуществляется по соответствующим правилам, которые и определяют интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface) этой операционной системы.

· Обслуживание всех операций ввода-вывода.

· Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.

· Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения.

· Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.

· Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.

· Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.

· Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.

· Аутентификация и авторизация пользователей (для большинства диалоговых операционных систем). Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи¹. Очевидно, что если входное имя (login²) пользователя и его пароль совпадают, то, скорее всего, это и будет тот самый пользователь. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может, а что не может делать на компьютере.

· Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для операционных систем реального времени).

· Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

· Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.

Операционная система изолирует аппаратное обеспечение компьютера от прикладных программ пользователей. И пользователь, и его программы взаимодействуют с компьютером через интерфейсы операционной системы. Это можно проиллюстрировать, например, рис. 1.1.

Рис. 1.1. Взаимодействие пользователя и его программ с компьютером

через операционную систему

Понятие операционной среды

Итак, операционная система выполняет функции управления вычислениями в компьютере, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует ту программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной. Последнее следует понимать в том плане, что при запуске программы она будет обращаться к операционной системе с соответствующими запросами на выполнение определенных действий, или функций. Эти функции операционная система выполняет, запуская специальные системные программные модули, входящие в ее состав.

Итак, при создании двоичных машинных программ прикладные программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть операционная система, а набор ее функций и сервисов, а также правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое мы называем операционной средой. Таким образом, можно сказать, что термин «операционная среда» означает, прежде всего, соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к управляющей (супервизорный) части операционной системы с целью получить определенные сервисы.

Системных функций бывает много, они определяют те возможности, которые операционная система предоставляет выполняющимся под ее управлением приложениям. Такого рода системные запросы (вызовы системных операций, или функций) либо явно прописываются в тексте программы программистами, либо подставляются автоматически самой системой программирования на этапе трансляции исходного текста разрабатываемой программы. Каждая операционная система имеет свое множество системных функций; они вызываются соответствующим образом, по принятым в системе правилам. Совокупность системных вызовов и правил, по которым их следует использовать, как раз и определяет уже упомянутый нами интерфейс прикладного программирования (API). Очевидно, что программа, созданная для работы в некоторой операционной системе, скорее всего не будет работать в другой операционной системе, поскольку API у этих операционных систем, как правило, различаются. Стараясь преодолеть это ограничение, разработчики операционных систем стали создавать так называемые программные среды. Программную (системную) среду следует понимать как некоторое системное программное окружение, позволяющее выполнить все системные запросы от прикладной программы. Та системная программная среда, которая непосредственно образуется кодом операционной системы, называется основной, естественной, или нативной (native). Помимо основной операционной среды в операционной системе могут быть организованы (путем эмуляции иной операционной среды) дополнительные программные среды. Если в операционной системе организована работа с различными операционными средами, то в такой системе можно выполнять программы, созданные не только для данной, но и для других операционных систем.

Можно сказать, что программы создаются для работы в некоторой заданной операционной среде. Например, можно создать программу для работы в среде DOS, Если такая программа все функции, связанные с операциями ввода-вывода и с запросами памяти, выполняет не сама, а за счет обращения к системным функциям DOS, то она будет (в абсолютном большинстве случаев) успешно выполняться и в MS DOS, и в PC DOS, и в Windows 9х, и в Windows 2000, и в OS/2, и даже в Linux. Итак, параллельное существование терминов «операционная система» и «операционная среда» вызвано тем, что операционная система (в общем случае) может поддерживать несколько операционных сред. Почти все современные 32-разрядные операционные системы, созданные для персональных компьютеров, поддерживают по нескольку операционных сред. Так, операционная система OS/2 Warp, которая в свое время была одной из лучших в этом отношении, может выполнять следующие программы:

· основные программы, созданные с учетом соответствующего «родного» 32-разряднго программного интерфейса этой операционной системы;

· 16-разрядные программы, созданные для систем OS/2 первого поколения;

· 16-разрядные приложения, разработанные для выполнения в операционной среде MS DOS или PC DOS;

· 16-разрядные приложения, созданные для операционной среды Windows 3.x;

· саму операционную оболочку Windows 3.x и уже в ней — созданные для нее программы.

А операционная система Windows XP позволяет выполнять помимо основных приложений, созданных с использованием Win32API, 16-разрядные приложения для Windows 3.x, 16-разрядные DOS-приложения, 16-разрядные приложения для первой версии OS/2.

Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Если говорить о пользовательских, то, например, система Linux имеет для пользователя как интерфейсы командной строки (можно использовать различные «оболочки» — shell), наподобие Norton Commander, например Midnight Commander, так и графические интерфейсы, например X-Window с различными менеджерами окон — KDE, Gnome и др. Если же говорить о программных интерфейсах, то в тех же операционных системах с общим названием Linux программы могут обращаться как к операционной системе за соответствующими сервисами и функциями, так и к графической подсистеме (если она используется). С точки зрения архитектуры процессора (и персонального компьютера в целом) двоичная программа, созданная для работы в среде Linux, использует те же команды и форматы данных, что и программа, созданная для работы в среде Windows NT. Однако в первом случае мы имеем обращение к одной операционной среде, а во втором — к другой. И программа, созданная непосредственно для Windows. не будет выполняться в Linux; однако если в операционной системе Linux организовать полноценную операционную среду Windows, то наша Windows - программа может быть выполнена. Завершая этот раздел, можно еще раз сказать, что операционная среда — это то системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды.

Прерывания

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора, то есть прерывание — это принудительная передача управления от выполняемой программы системе (а через нее — к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Идея прерывания была предложена также очень давно — в середине 50-х годов, — можно без преувеличения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислительной техники. Основная цель введения прерываний — реализация асинхронного режима функционирования 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 подразумевает выполнение некоторой последовательности шагов.

1. Установление факта прерывания (прием сигнала запроса на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах идентификация прерывания иногда осуществляется повторно, на шаге 4).

2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений. Состояние процесса выполнения программы определяется, прежде всего, значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP — указателем команды [1, 8, 48]), содержимым регистров процессора, и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.

3. Управление аппаратно передается на подпрограмму обработки прерывания. В простейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры — информация из слова состояния. В более развитых процессорах, например в 32-разрядных микропроцессорах фирмы Intel (начиная с i80386 и включая последние процессоры Pentium IV) и им подобных, осуществляются достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствующей подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора (подробно эти вопросы рассматриваются в разделе «Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i80x86» главы 4).

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью аппаратуры. В некоторых процессорах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванных вычислений.

5. Собственно выполнение программы, связанной с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, на которую было передано управление на шаге 3, но в операционных системах достаточно часто она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

7. Возврат на прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, шаги 4-7 — программно.

На рис. 1.2 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передается на программу 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 на прерванную ранее программу посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды, которую нужно было бы выполнить, если бы не возникло прерывание. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам, о чем будет более подробно написано ниже. Итак, главные функции механизма прерываний — это:

· распознавание или классификация прерываний;

· передача управления соответствующему обработчику прерываний;

· корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из самых простых и 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 (system stack).

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются 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 прерывания вызываются 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 запрещенный 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 ноль;

· вследствие переполнения или исчезновения порядка;

· от средств контроля (например, вследствие обнаружения ошибки четности, ошибок в работе различных устройств).

Рис. 1.2. Обработка прерывания

Могут еще существовать прерывания в связи с попыткой выполнить команду, которая сейчас запрещена. Во многих компьютерах часть команд должна выполняться только кодом самой операционной системы, но не прикладными программами. Это делается с целью повышения защищенности выполняемых на компьютере вычислении. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, пользовательские программы выполняются в режиме, в котором некоторое подмножество команд, называемых привилегированными, не исполняется. К привилегированным командам помимо команд ввода-вывода относятся и команды переключения режима работа центрального процессора, и команды инициализации некоторых системных регистров процессора. При попытке использовать команду, запрещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание, и управление передается самой операционной системе.

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. Этот механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим, прежде всего, 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. Так, со всей очевидностью, прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (действительно, если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации). На рис. 1.3 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.

Рис. 1.3. Распределение прерываний по уровням приоритета

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 команды для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу; откладывать обработку на некоторое время; полностью игнорировать прерывания. 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.

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 (Last Come First Served - последним пришел, первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маску ни на один из сигналов 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 вычислений на другой.

Управление ходом выполнения задач со стороны операционной системы заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (Данными и программами), в предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет операционная система (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Поэтому в состав любой операционной системы 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 операционная система 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, то управление передается на соответствующую подпрограмму обработки. Из рис. 1.2 видно, что в подпрограмме обработки прерывания имеется две служебные секции. Это - первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерываемых вычислений, который не смог быть сохранен на шаге 2, 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. В соответствии с рассмотренными режимами обработки прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами и по правилу LCFS) установка этих режимов 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 вновь должна быть отключена и после восстановления контекста опять включена. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в уже упоминавшийся специальный системный программный модуль, называемый супервизором 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 на эту подпрограмму, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается ядру операционной системы. На этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач (см. раздел «Планирование и диспетчеризация процессов и задач» в главе 2). И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятой дисциплиной распределения процессорного времени (между выполняющимися вычислительными процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренную нами схему иллюстрирует рис, 1.4.

Как мы видим из рисунка, здесь отсутствует возврат в прерванную ранее программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямого 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.

Рис. 1.4. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС

Однако если бы контекст вычислительных процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно реализуется аппаратурой, а не в специальных структурах данных, называемых дескрипторами, о чем будет подробно изложено чуть позже, 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 операционных системах могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого вычислительного процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере его часть) становится структурой которую поддерживает аппаратура.

Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассматриваемых далее современных операционных систем необходимо знать архитектуру и, в частности, особенности системы прерывания персональных компьютеров. Этот вопрос более подробно рассмотрен в главе 4, посвященной архитектуре микропроцессоров i80x86.

Понятия вычислительного процесса и ресурса

Понятие последовательного¹ вычислительного процесса, или просто процесса, является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как понятие процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующего неформального определения, приведенного в [47]. Последовательный процесс, иногда называемый задачей² (task), — это отдельная программа с ее данными, выполняющаяся на последовательном процессоре. Напомним, что под последовательным мы понимаем такой процессор, в котором текущая команда выполняется после завершения предыдущей. В современных процессорах мы сталкиваемся с ситуациями, когда возможно параллельное выполнение нескольких команд. Это делается для повышения скорости вычислений. В этих процессорах параллелизм достигается двумя основными способами — организацией конвейерного механизма выполнения команды и созданием нескольких конвейеров. Однако в подобных процессорах аппаратными решениями обязательно достигается логическая последовательность в выполнении команд, предусмотренная программой. Необходимость этого объясняется в главе 7, посвященной организации параллельных вычислительных процессов.

Концепция процесса предполагает два аспекта: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он собственно и выполняет операции, связанные с обработкой этих данных.

В качестве примеров процессов (задач) можно назвать прикладные программы пользователей, утилиты и другие системные обрабатывающие программы. Процессом может быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной программы, се компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной программы — другим процессом, поскольку транслятор как объединение программных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

Концепция процесса преследует цель выработать механизмы распределения и управления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Термин ресурс обычно применяется по отношению к многократно используемым, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, задействуются и освобождаются в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы. Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов используют их одновременно (в один и тот же момент времени) или параллельно (попеременно в течение некоторого интервала времени), а могут быть и неделимыми (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Классификация ресурсов

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода-вывода и периферийные устройства [22, 53]. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для системы как объекты, которые могут разделяться и распределяться и доступ к которым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представление в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас говорили, ресурсами стали называть и такие объекты, как сообщения и синхросигналы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в известной работе Яноша Джона фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода-вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления.

Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной операции ввода-вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый мультипрограммный, или мультизадачный, режим работы вычислительной системы.

Мультипрограммирование,

многопользовательский режим работы

и режим разделения времени

Вкратце суть мультипрограммного режима работы заключается в том, что пока одна программа (один вычислительный процесс, как мы теперь говорим) ожидает завершения очередной операции ввода-вывода, другая программа (а точнее, другая задача) может быть поставлена на решение (рис. 1.6). Это позволяет более полно использовать имеющиеся ресурсы (например, центральный процессор начинает меньше простаивать, как это видно из рисунка) и уменьшить общее (суммарное) время, необходимое для решения некоторого множества задач.

	Вв
CPU
	Вв
CPU

Рис. 1.6. Пример выполнения двух программ в мультипрограммном режиме

На рисунке в качестве примера изображена такая гипотетическая ситуация, при которой благодаря совмещению во времени двух вычислительных процессов общее время их выполнения получается меньше, чем если, бы их выполняли по очереди (запуск одного начинался бы только после полного завершения другого). Из того же рисунка видно, что время выполнения каждого процесса в общем случае больше, чем если бы мы выполняли каждый из них как единственный.

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем если бы он выполнялся в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса).

Мультипрограммирование стало применяться все чаще и шире в 60-х годах XX века когда крупные компании получили, наконец, возможность приобретать в собственность вычислительную технику и использовать ее для решения своих задач. До этого времени вычислительная техника была доступна, прежде всего, для военных целей и решения отдельных задач общегосударственного масштаба. А поскольку стоимость компьютеров в то время была чрезвычайно большой, то компании, вложив свои капиталы в вычислительную технику, захотели за счет продажи машинного времени не только покрыть те расходы, которые сопутствовали ее приобретению и использованию, но и зарабатывать дополнительные деньги, то есть получать прибыль. Машинное время стали активно продавать, сдавая в аренду имеющиеся компьютеры, и потенциальная возможность решать в единицу времени большее количество задач, возможно от разных клиентов, стала выступать основным стимулом в развитии способов организации вычислений и операционных систем.

Задачи пользователей ставились в очередь на решение, и распределение времени центрального процессора и других ресурсов компьютера между несколькими выполняющимися вычислительными процессами позволяло организовать параллельное выполнение сразу нескольких задач. Эти задачи могли относиться и к одному пользователю, и к нескольким. Однако ставил их на решение оператор вычислительной системы.

Приблизительно в то же время, может быть чуть позже, стали активно развиваться всевозможные устройства ввода и вывода данных. Не стояло на месте и системное программное обеспечение. Появилась возможность пользователю самому вводить исходные данные и тут же получать результаты вычислений, причем в удобном для него виде. Упрощение пользовательского интерфейса и развитие интерфейсных функций операционных систем позволило реализовать диалоговый режим работы. Как известно, диалоговый режим предполагает, что пользователь может сам без посредника, взаимодействовать с компьютером — готовить и запускать свои программы, вводить исходные данные, получать результаты, приостанавливать вычисления и вновь их возобновлять и т. д.

Очевидно, что диалоговый режим работы может быть реализован и без мульти-

программирования. Наглядное тому доказательство — многочисленные дисковые операционные системы, начиная от СР-М и кончая PC-DOS 7.0. которые долгие годы устанавливались на персональные компьютеры и обеспечивали только однопрограммный режим. Однако эти однопрограммные диалоговые системы появились гораздо позже мультипрограммных. Как это ни кажется странным, им предшествовали многочисленные и разнообразные операционные системы, позволяющие одновременно работать с компьютером большому количеству пользователей и параллельно решать множество задач. Основная причина тому — стоимость компьютера. Только с удешевлением компьютеров поя вилась возможность иметь свой персональный компьютер, и первое время считалось, что однопрограммного режима работы вполне достаточно. Главным для персональных компьютеров до сих пор считается удобство работы, причем именно в диалоговом режиме, простота интерфейса и его интуитивная понятность.

Совмещение диалогового режима работы с компьютером и режима мультипрограммирования привело к появлению мулътитерминалъных, или многопользовательских, систем. Организовать параллельное выполнение нескольких задач можно разными способами. Если это осуществляется таким образом, что на каждую задачу поочередно выделяется некий квант времени, после чего процессор передается другой задаче, готовой к продолжению вычислений, то такой режим принято называть режимом разделения времени (time sharing). Системы разделения времени активно развивались в 60-70 годы, и сам термин означал именно мультитерминальную и мультипрограммную систему. Итак, операционная система может поддерживать мультипрограммирование (много-процессность). В этом случае она должна стараться эффективно использовать имеющиеся ресурсы путем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного вычислительного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса, готового использовать другие ресурсы, как только последние станут доступными.

Общая схема выделения ресурсов такова. При необходимости использовать какой-либо ресурс (оперативную память, устройство ввода-вывода, массив данных и т. п.) вычислительный процесс (задача) путем обращения к супервизору¹ (supervisor) операционной системы посредством специальных вызовов (команд, директив) сообщает о своем требовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем. Например, при запросе оперативной памяти указывается количество адресуемых ячеек, необходимое для дальнейшей работы.

Команда обращения к операционной системе передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы (см. раздел «Прерывания»), если такой существует. Большинство компьютеров имеют два (и более) режима работы: привилегированный (режим супервизора) и пользовательский. Кроме того, могут быть режимы для эмуляции какой-нибудь другой ЭВМ или для организации виртуальной машины, защищенной от остальных вычислений, осуществляемых на этом же компьютере, и т. д. Мы уже говорили об этом, затрагивая вопрос организации прерываний.

Ресурс может быть выделен вычислительному процессу (задаче), обратившемуся к операционной системе с соответствующим запросом, если:

· ресурс свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;

· текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;

· ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, операционная система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя ее в состояние ожидания (блокируя). Очередь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего она реализуется с помощью списковой структуры.

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора (посредством соответствующей команды) сообщает операционной системе об отказе от ресурса, либо операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции. Супервизор операционной системы, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть, то в зависимости от принятой дисциплины обслуживания' и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит ее в состояние готовности к выполнению, после чего либо передает управление ей, либо возвращает управление задаче, только что освободившей ресурс.

При выдаче запроса на ресурс задача может указать, хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно и совместно с другими задачами. Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то управлять их использованием можно на основе некоторой стратегии. Стратегия подразумевает четкую формулировку целей, следуя которым можно добиться эффективного распределения ресурсов.

При организации управления ресурсами всегда требуется принятъ решение о том, что в данной ситуации выгоднее: быстро обслуживать отдельные наиболее важные запросы, предоставлять всем процессам равные возможности или обслуживать максимально возможное количество процессов и наиболее полно использовать ресурсы.

Диаграмма состояний процесса

Необходимо отличать системные управляющие вычислительные процессы, определяющие работу супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управлением ресурсов, от всех других процессов: задач пользователей и системных обрабатывающих процессов. Последние, хоть и относятся к операционной системе, но не входят в ядро операционной системы и требуют общих ресурсов для своей работы, которые получают от супервизора. Для системных управляющих процессов, в отличие от обрабатывающих, в большинстве операционных систем ресурсы распределяются изначально и однозначно. Эти вычислительные процессы сами управляют ресурсами системы, в борьбе за которые конкурируют все остальные процессы. Поэтому исполнение системных управляющих программ не принято называть процессами, и термин «задача» следует употреблять только по отношению к процессам пользователей и к системным обрабатывающим процессам. Однако это справедливо не для всех операционных систем. Например, в так называемых «микроядерных» операционных системах большинство управляющих программных модулей самой операционной системы и даже драйверы имеют статус высокоприоритетных процессов, для выполнения которых необходимо выделить соответствующие ресурсы. В качестве примера можно привести хорошо известную операционную систему реального времени QNX фирмы Quantum Software Systems. Аналогично и в UNIX-системах, которые хоть и не относятся к микроядерным, выполнение системных программных модулей тоже имеет статус системных процессов, получающих ресурсы для своего исполнения.

Очевидно, что если некий вычислительный процесс (назовем его первым) в данный конкретный момент времени не исполняется, поскольку процессор занят исполнением какого-то другого процесса, то операционная система должна знать, что вычисления в первом процессе приостановлены. Информация об этом заносится в специальную информационную структуру, сопровождающую каждый вычислительный процесс. Таких приостановленных процессов может быть несколько. Они могут образовывать очередь задач, которые возобновят свои вычисления, как только им будет предоставлен процессор. Некоторые процессы, при своем выполнении требующие ввода или вывода данных, на время выполнения этих запросов могут освобождать процессор. Такие события тоже должны для операционной системы помечаться соответствующим образом. Говорят, что процесс может находиться в одном из нескольких состояний. Информация о состоянии процесса содержится в упомянутой выше информационной структуре, доступной супервизору.

Если обобщать и рассматривать не только традиционные системы общего назначения и привычные всем нам современные мультизадачные операционные системы для персональных компьютеров, но и операционные системы реального времени, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном (не активном) состоянии. В активном состоянии процесс может конкурировать за ресурсы вычислительной системы, а в пассивном состоянии он известен системе, но за ресурсы не конкурирует (хотя его существование в системе и сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти). В свою очередь, активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

· выполнения — все затребованные процессом ресурсы выделены (в этом состоянии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идет об однопроцессорной вычислительной системе);

· готовности к выполнению — ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдет в состояние выполнения;

· блокирования, или ожидания, — затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или не завершена операция ввода-вывода.

В большинстве операционных систем последнее состояние, в свою очередь, подразделяется на множество состояний ожидания, соответствующих определенному виду ресурса, из-за отсутствия которого процесс переходит в заблокированное состояние.

В обычных операционных системах, как правило, процесс появляется при запуске какой-нибудь программы. Операционная система организует (порождает, или выделяет) для нового процесса уже упомянутую выше информационную структуру — так называемый дескриптор процесса, и процесс (задача) начинает выполняться. Поэтому пассивного состояния в большинстве систем не существует. В операционных системах реального времени (ОСРВ) ситуация иная. Обычно при проектировании системы реального времени состав выполняемых ею программ (задач) известен заранее. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (например, объем памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и проч.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиски для него необходимых ресурсов. Таким образом, в ОСРВ многие процессы (задачи) могут находиться в состоянии бездействия, что мы и отобразили на рис. 1.7, отделив это состояние от остальных состояний пунктиром.

Рис. 1.7. Граф состояний процесса

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы из одного состояния в другое, обусловленные обращениями к операционной системе с запросами ресурсов и выполнения системных функций, которые предоставляет операционная система, взаимодействием с другими процессами, появлением сигналов прерывания от таймера, каналов и устройств ввода-вывода, других устройств. Возможные переходы процесса из одного состояния в другое отображены на рисунке и виде графа состояний. Рассмотрим эти переходы из одного состояния в другое более подробно.

Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующих случаях.

· По команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых операционных системах, где программа может иметь статус задачи, даже оставаясь пассивной, а не просто быть исполняемым файлом и получать статус задачи только на время исполнения (как это имеет место в большинстве современных операционных систем, в том числе и для персональных компьютеров).

· При выборе из очереди планировщиком (характерно для операционных систем, работающих в пакетном режиме).

· При вызове из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничтожить другой процесс).

· По прерыванию от внешнего инициативного устройства¹ (сигнал о свершении некоторого события может запускать соответствующую задачу).

· При наступлении запланированного времени запуска программы.

Последние два способа запуска задачи, при которых процесс из состояния бездействия переходит в состояние готовности, наиболее характерны для операционных систем реального времени.

Процесс, который может исполняться, как только ему будет предоставлен процессор (а для диск-резидентных задач в некоторых системах и оперативная память), находится в состоянии готовности. Считается, что такому процессу уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин.

· Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает. Уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соответствовала исполнению этой программы. В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора или путем обращения к супервизору операционной системы из другой задачи с требованием остановить данный процесс. Само собой, что действие по команде оператора реализуется системным процессом, который «транслирует» эту команду в запрос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние бездействия.

· Процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени.

· Процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие запроса операции ввода-вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предоставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент (причиной перевода в состояние ожидания может быть отсутствие сегмента или страницы в случае организации механизмов виртуальной памяти — см. раздел «Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти» в главе 3), либо по команде оператора на приостанов задачи, либо по требованию через супервизор от другой задачи.

При наступлении соответствующего события (завершилась операция ввода-вы-вода, освободился затребованный ресурс, в оперативную память загружена необходимая страница виртуальной памяти и т. д.) процесс деблокируется и переводится в состояние готовности к исполнению.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояния процессов, являются события. Одним из основных видов событий являются уже рассмотренные нами прерывания.

Реализация понятия последовательного процесса в операционных системах

Для того чтобы операционная система могла управлять процессами, она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится специальная информационная структура, называемая дескриптором процесса (описателем задачи, блоком управления задачей). В общем случае дескриптор процесса, как правило, содержит следующую информацию:

· идентификатор процесса (Process Identifier, PID);

· тип (или класс) процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов;

· приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы (в рамках одного класса процессов в первую очередь обслуживаются более приоритетные процессы);

· переменную состояния, которая определяет, в каком состоянии находится процесс (готов к работе, выполняется, ожидает устройства ввода-вывода и т. д.);

· контекст задачи, то есть защищенную область памяти (или адрес такой области), в которой хранятся текущие значения регистров процессора, когда процесс прерывается, не закончив работы;

· информацию о ресурсах, которыми процесс владеет и/или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных операциях ввода-вывода и др.);

· место (или его адрес) для организации общения с другими процессами;

· параметры времени запуска (момент времени, когда процесс должен активизироваться, и периодичность этой процедуры);

· в случае отсутствия системы управления файлами адрес задачи на диске в ее исходном состоянии и адрес на диске, куда она выгружается из оперативной памяти, если ее вытесняет другая задача (последнее справедливо для диск-резидентных задач, которые постоянно находятся во внешней памяти на системном магнитном диске и загружаются в оперативную память только на время выполнения).

Описатели задач, как правило, постоянно располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует их в списки (очереди) и отображает изменение состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой. Для каждого состояния (за исключением состояния выполнения для однопроцессорной системы) операционная система ведет соответствующий список задач, находящихся в этом состоянии. Однако для состояния ожидания обычно имеется не один список, а столько, сколько различных видов ресурсов могут вызывать состояние ожидания. Например, состояний ожидания завершения операции ввода-вывода может быть столько, сколько устройств ввода-вывода имеется в системе.

В некоторых операционных системах количество описателей определяется жестко и заранее (на этапе генерации варианта операционной системы или в конфигурационном файле, который используется при загрузке ОС), в других по мере необходимости система может выделять участки памяти под новые описатели. Например, в уже мало кому известной системе OS/2, которая несколько лет тому назад многими специалистами считалась одной из лучших ОС для персональных компьютеров, максимально возможное количество описателей задач указывается в конфигурационном файле CONFIG.SYS. Например, строка THREADS=1024 в файле CONFIG.SYS означает, что всего в системе может параллельно существовать и выполняться до 1024 задач, включая вычислительные процессы и их потоки. В ныне широко распространенных системах Windows NT/2000/ХР количество описателей нигде в явном виде не задается. Это переменная величина, и она определяется самой операционной системой. Однако посмотреть на текущее количество таких описателей можно. Если, работая в Windows NT/2000/XP, нажать одновременно комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Esc, появится окно Диспетчера задач. На вкладке Быстродействие этой программы мы увидим поле с названием Всего дескрипторов и соответствующее число. Тут же указывается количество дескрипторов для управления потоками (задачами) и число полноценных вычислительных процессов. Более подробно о процессах и потоках см. далее.

В операционных системах реального времени чаще всего количество процессов фиксируется, и, следовательно, целесообразно заранее определять (на этапе генерации или конфигурирования ОС) количество дескрипторов. Для использования таких операционных систем в качестве систем общего назначения (что нынче уже нехарактерно)¹ обычно количество дескрипторов бралось с некоторым запасом, и появление новой задачи связывалось с заполнением этой информационной структуры. Поскольку дескрипторы процессов постоянно располагаются в оперативной памяти (с целью ускорить работу диспетчера), то их количество не должно быть очень большим.

Для более эффективной обработки данных в системах реального времени целесообразно иметь постоянные задачи, полностью или частично всегда существующие в системе независимо от того, поступило на них требование или нет. Каждая постоянная задача обладает некоторой собственной областью оперативной памяти (ОЗУ-резидентная задача, или просто резидентная задача) независимо от того, выполняется задача в данный момент или нет. Эта область, в частности, может использоваться для хранения данных, полученных задачей ранее. Данные могут храниться в ней и тогда, когда задача находится в состоянии ожидания или даже в состоянии бездействия.

Для аппаратной поддержки работы операционных систем с этими информационными структурами (дескрипторами задач) н процессорах могут быть реализованы соответствующие механизмы. Так, например, в микропроцессорах Intel 80x86 имеется специальный регистр TR (Task Register), указывающий местонахождение специальной информационной структуры — сегмента состояния задачи (Task State Segment, TSS), в котором при переключении с задачи на задачу автоматически сохраняется содержимое регистров процессора [1, 8, 48]. Поскольку между терминами «процесс» и «задача» со временем появилось существенное различие, мы сейчас подробно рассмотрим этот вопрос.

Процессы и задачи

Хотя понятия мультипрограммного и мультизадачного режимов работы достаточно близки, это все-таки не одно и то же. К сожалению, здесь до сих пор имеется некоторая путаница. Основные причины тому — не только то, что терминология еще не устоялась и что многие фирмы-разработчики по-разному предпочитали называть один и те же сущности, но и сложность, неоднозначность ситуации.

Мультипрограммный режим предполагает, что операционная система организует параллельное выполнение нескольких вычислительных процессов на одном компьютере. И каждый вычислительный процесс может, в принципе, никак не зависеть от другого вычислительного процесса. Разве что они могут задержать выполнение друг друга из-за необходимости поочередно разделять ресурсы или сильно задерживать выполнение друг друга при владении неразделяемым ресурсом. У них может не быть ни общих файл он, ни общих переменных. Они вообще могут принадлежать разным пользователям. Просто эти процессы, с позиций внешнего наблюдателя, выполняются на одном и том же компьютере в одно и то же время. Хотя могут выполняться и в разное время, и на разных компьютерах. Главное — это то, что мультипрограммный режим обеспечивает для этих процессов их независимость. Каждому процессу операционная система выделяет затребованные ресурсы, он выполняется как бы на отдельной виртуальной машине. Средства защиты системы должны обеспечить невмешательство одного вычислительного процесса в другой вычислительный процесс. И если такую защиту обеспечить невозможно,

то система не может считаться надежной. Немало методов и конкретных способов было придумано разработчиками для обеспечения надежных вычислений и предотвращения возможности намеренно или по ошибке повлиять на результаты вычислений в другом процессе.

Однако существует и другая потребность: не разделить вычислительные процессы друг от друга, а наоборот совместить их, обеспечить возможность тесного взаимодействия между осуществляемыми вычислениями. Например, результаты вычислений одного вычислительного процесса могут требоваться для начала или продолжения работы другого. Существует огромное количество ситуаций, когда необходимо обеспечить активное взаимодействие между выполняющимися вычислительными процессами. Если нет возможности получить доступ к переменным другого процесса, ибо операционная система построена надежно и защищает адресные пространства одного вычислительного процесса от вмешательства другого вычислительного процесса, то возникают очень серьезные препятствия на пути передачи каких бы то ни было данных между процессами.

Термин мультизадачный режим работы стали применять как раз для тех случаев, когда необходимо обеспечить взаимодействие между вычислениями. Мультизадачный режим означает, что операционная система позволяет организовать параллельное выполнение вычислений, и имеются специальные механизмы для передачи данных, синхросигналов, каких-либо сообщений между этими взаимодействующими вычислениями. Это можно сделать за счет того, что такие вычисления не должны системой изолироваться друг от друга. Операционная система не должна для них в обязательном порядке задействовать все механизмы защиты вычислений от невмешательства друг в друга. При мультизадачном режиме разработчик программы должен позаботиться о разделении ресурсов между его задачами. Операционная система будет всего лишь разделять процессорное время между задачами. Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Термин задача тоже, к сожалению, в большинстве случаев применялся для того же. В свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограммирование», но потом они стали заменять друг друга, и это вносило немалую путаницу. Таким образом, для реализации мультизадачности в ее исходном толковании необходимо было ввести соответствующую сущность. Такой сущностью стали легковесные (thin) процессы, или. как их теперь преимущественно называют, потоки выполнения¹, нити, или треды (threads).

Когда говорят о процессах (process), то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы — файлы, окна, семафоры и т, д. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом за доступ к ресурсам. В общем случае процессы просто никак не связаны между собой и могут принадлежать даже разным пользователям, разделяющим одну вычислительную систему.

Другими словами, в случае процессов операционная система считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно операционная система берет на себя роль арбитра в спорах конкурирующих процессов за ресурсы. Она же и обеспечивает защиту выполняющихся вычислений.

Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто и позволяет ускорить вычисления. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительное использование центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при работе с графическими редакторами при обработке больших изображений с высокой степенью детализации. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (легковесных процессов, потоков выполнения, или задач), которые могут выполняться параллельно с другими подпроцессами (потоками, задачами), то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Легковесными эти процессы называют потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину, то есть эти задачи, прежде всего, не имеют своих собственных ресурсов, а развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, выделенными ОС данному процессу. Единственное, что они имеют свое — это процессорный ресурс. В однопроцессорной системе потоки выполнения (задачи) разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в мультипроцессорной системе они могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам.

Главное, что обеспечивает многопоточность — это возможность параллельно выполнять несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления (а следовательно, и более эффективное использование ресурсов центрального процессора, и меньшее суммарное время выполнения задач) гораздо удобнее реализовать не на уровне процессов, но на уровне задач (потоков, тредов). И программа, разработанная с использованием механизма потоков, представляемая как некоторое множество задач в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного функционирования ее отдельных частей. Особенно это выгодно при наличии нескольких процессоров, ибо каждая задача может выполняться на отдельном процессоре. Например, если электронная таблица, текстовый процессор или графический редактор были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа, слияние нескольких документов или преобразование изображения и одновременно продолжать заполнять таблицу, открывать для редактирования следующий документ, изменять другое изображение.

Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений. Например, многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов. Как известно, операционная система OS/2 была одной из первых систем, используемых в персональных компьютерах, которая поддерживала многопоточность. В середине 90-х годов для этой операционной системы было создано большое количество приложений, в которых наличие механизмов многоноточной обработки реально приводило к существенному повышению скорости вычислений. Для систем Windows, с которыми мы все имеем дело, ярко выраженной многопоточностью обладают такие продукты,-как SQL Server, Oracle. И хотя те же Word, Excel, Internet Explorer также при своей работе образуют потоки, явного параллелизма в этих программах почти не поддерживается. Поэтому при увеличении числа процессоров в компьютере такие программы не начинают выполняться быстрее.

Итак, сущность «поток выполнения» была введена для того, чтобы именно с помощью этих единиц распределять процессорное время между возможными работами. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за ним. При манипулировании задачами-потоками можно менять только контекст задачи, если мы переключаемся с одной задачи на другую в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит, по крайней мере, из одного потока выполнения, и только если имеется внутренний параллелизм, программист может «расщепить» один поток на несколько параллельных. Потребность в потоках возникла еще в однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяли организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью потоки уже просто необходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессорные элементы работой, с тем чтобы они не простаивали. Заметим, однако, что желательно, чтобы можно было свести к минимуму взаимодействие потоков между собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными. Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного потока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют процессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации.

Как уже упоминалось, иногда потоки выполнения называют легковесными процессами. Как мы уже знаем, все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия частей одной программы. Повторим, что кроме разделения адресного пространства, все потоки разделяют также набор открытых файлов, устройства, выделенные процессу, имеют одни и те же наборы сигналов, семафоры и т. п. А что у потоков является их собственным? Собственными являются программный счетчик, стек, рабочие регистры процессора, потоки-потомки, состояние.

Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организовать тесное взаимодействие, в отличие от процессов, для которых нужны специальные механизмы обмена сообщениями и данными. Более того, программист, создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множества потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не конкурировать за ресурсы тогда, когда этого можно избежать.

Для того чтобы .можно было эффективно организовать параллельное выполнение рассмотренных сущностей (процессов и потоков), в архитектуру современных процессоров включены средства для работы со специальной информационной структурой, описывающей ту или иную сущность. Для этого уже на уровне архитектуры микропроцессора используется понятие задача (task). Оно как бы объединяет в себе и обычный процесс, и поток выполнения (тред). Это понятие и поддерживаемая для него на уровне аппаратуры информационная структура позволяют в дальнейшем при разработке операционной системы строить соответствующие дескрипторы как для задач, так и для процессов. И отличаться эти дескрипторы будут прежде всего тем, что дескриптор задачи может хранить только контекст приостановленного вычислительного процесса, тогда как дескриптор процесса должен содержать поля, описывающие тем или иным способом ресурсы, выделенные этому процессу. Для хранения контекста задачи в микропроцессорах с архитектурой i32 имеется специальный сегмент состояния задачи (Task State Segment, TSS). А для отображения информации о процессе используется уже иная информационная структура, однако она включает в себя TSS. Другими словами, сегмент состояния задачи, подробно рассматриваемый в разделе «Адресация в 32-разрядных микропроцессорах i80x86 при работе в защищенном режиме» главы 4, используется как основа для дескриптора процесса. Таким образом, дескриптор процесса больше по размеру, чем TSS, и включает в себя такие традиционные поля, как идентификатор процесса, его имя, тип, приоритет и проч.

Каждый поток (в случае использования так называемой «плоской» модели памяти — см. раздел «Сегментная, страничная и сегментно-страничная организация памяти» в главе 3) может быть оформлен в виде самостоятельного сегмента, что приводит к тому, что простая (не много поточная) программа будет иметь всего один сегмент кода в виртуальном адресном пространстве.

Теперь, если вернуться к уже упомянутому файлу CONFIG.SYS, в котором для операционной системы OS/2 указываются наиболее важные параметры, определяющие ее работу, стоит заметить, что в этом файле строка THREADS=1024 указывает на количество не процессов, а именно задач. И под задачей в данном случае понимается как процесс, так и поток этого процесса.

К большому сожалению, практически невозможно использовать термины «задача» и «процесс»- с однозначным толкованием, чтобы под задачей обязательно понимать поток, в то время как термин «процесс» означал бы множество потоков. Значение этих терминов по-прежнему сильно зависит от контекста. И это характерно практически для каждой книги, в том числе и для учебной литературы. Грешен этим и автор. Остается надеяться, что со временем все же ситуация изменится, и толкование этих слов будет более четким и строгим.

В завершение можно привести несколько советов по использованию потоков выполнения при создании приложений, заимствованных из.

· В случае однопроцессорной системы множество параллельных потоков часто не ускоряет работу приложения, поскольку в каждый отдельно взятый промежуток времени возможно выполнение только одного потока. Кроме того, чем больше у вас потоков, тем больше нагрузки на систему, относящиеся к переключению между ними. Мультизадачность из более двух постоянно работающих потоков в вашем проекте не сделает программу быстрее, если каждый из потоков не будет требовать частого ввода-вывода.

· Вначале нужно понять, для чего необходим поток. Поток, осуществляющий обработку, может помешать системе быстро реагировать на запросы ввода-вывода. Потоки позволяют программе отзываться на просьбы пользователя и устройств, но при этом (в том числе) сильно загружают процессор. Потоки позволяют компьютеру одновременно обслуживать множество устройств, и созданный вами поток, отвечающий за обработку специфического устройства, как минимум может потребовать столько времени, сколько системе необходимо для обработки запросов от всех устройств.

· Потокам можно назначать разные приоритеты для того, чтобы наименее значимые процессы выполнялись в фоновом режиме. Это путь честного разделения ресурсов процессора. Однако необходимо осознать тот факт, что процессор один на всех, а потоков много. Если в вашей программе главная процедура передает нечто для обработки в низкоприоритетный поток, то сама программа становится просто неуправляемой.

· Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать непродуктивно, когда вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам. Взаимные блокировки и критические секции отнюдь не добавляют скорости работы системы, хотя без использования этих механизмов взаимодействующие вычисления организовывать нельзя.

· Помните, что память виртуальна. Механизм виртуальной памяти (см. раздел «Память и отображения, виртуальное адресное пространство» в главе 3) следит за тем, какая часть виртуального адресного пространства должна находиться в оперативной памяти, а какая должна быть сброшена в файл подкачки. Потоки усложняют ситуацию, если они обращаются в одно и то же время к разным адресам виртуального адресного пространства приложения. Это значительно увеличивает нагрузку на систему, особенно при небольшом объеме кэшпамяти. Помните, что реально память не всегда «свободна», как это пишут в информационных окошках «О системе». Всегда отождествляйте доступ к памяти с доступом к файлу на диске и создавайте приложение с учетом вышесказанного.

· Всякий раз, когда любой из ваших потоков пытается воспользоваться общим ресурсом вычислительного процесса, которому он принадлежит, вы обязаны каким-то образом легализовать и защитить вашу деятельность. Хорошим средством для этого являются критические секции, семафоры и очереди сообщений (см. главу 7). Если вы протестировали ваше приложение и не обнаружили ошибок синхронизации, то это еще не значит, что их там нет. Пользователь может создавать самые непредсказуемые ситуации. Это очень ответственный момент в разработке много поточных приложений.

· Не возлагайте на поток несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения, его алгоритм. Чем проще и однозначнее каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать.

Основные виды ресурсов

и возможности их разделения

Рассмотрим кратко основные виды ресурсов вычислительной системы и способы их разделения (см. рис. 1.5). Прежде всего, одним из важнейших ресурсов является сам процессор¹, точнее — процессорное время. Процессорное время делится попеременно (параллельно). Имеется множество методов раздааения этого ресурса (см. раздел «Планирование и диспетчеризация процессов и задач»в главе 2). Вторым видом ресурсов вычислительной системы можно считать память. Оперативная память может делиться и одновременно (то есть в памяти одновременно может располагаться несколько задач или, по крайней мере, текущих фрагментов, участвующих и вычислениях), и попеременно (в разные моменты оперативная память может предоставляться для разных вычислительных процессов). Память — очень интересный вид ресурса. Дело в том, что в каждый конкретный момент времени процессор при выполнении вычислений обращается к очень ограниченному числу ячеек оперативной памяти. С этой точки зрения желательно память выделять для возможно большего числа параллельно исполняемых задач, С другой стороны, как правило, чем больше оперативной памяти может быть выделено для конкретного текущего вычислительного процесса, тем лучше будут условия его выполнения. Поэтому проблема эффективного разделения оперативной памяти между параллельно выполняемыми вычислительными процессами является одной из самых актуальных. Достаточно подробно вопросы распределения памяти между параллельно выполняющимися процессами рассмотрены в главе 3. Внешняя память тоже является ресурсом, который часто необходим для выполнения вычислений. Когда говорят о внешней памяти (например, памяти на магнитных дисках), то собственно память и доступ¹ к ней считаются разными видами ресурса. Каждый из этих ресурсов может предоставляться независимо от другого. Но для полноценной работы с внешней памятью необходимо иметь оба этих ресурса. Собственно внешняя память может разделяться и одновременно, а вот доступ к ней всегда разделяется попеременно.

Если говорить о внешних устройствах, то они, как правило, могут разделяться параллельно, если используются механизмы прямого доступа. Если же устройство работает с последовательным доступом, то оно не может считаться разделяемым ресурсом. Простыми и наглядными примерами внешних устройств, которые не могут быть разделяемыми, являются принтер и накопитель на магнитной ленте. Действительно, если допустить, что принтер можно разделять между двумя процессами, которые смогут его использовать (управлять его работой) попеременно, то результаты печати, скорее всего, окажутся негодными — фрагменты выведенного текста могут перемешаться таким образом, что будет не понятно, что есть что. Аналогично и для накопителя на магнитной ленте. Если один процесс начнет что-то читать или писать, а второй при этом запросит перемотку ленты на ее начало, то оба вычислительных процесса не смогут выполнить свои вычисления. Здесь следует заметить, что при работе с устройствами печати мы, тем не менее, явно наблюдаем возможность печатать из разных программ, выполняющихся параллельно. Однако необходимо знать, что это реализуется за счет того, что каждый вычислительный процесс получает свой виртуальный принтер, который он ни с кем не разделяет. А операционная система, получив задания на печать от выполняющихся задач, сама упорядочивает эти задания и передает очередное задание на принтер только после полного завершения предыдущего задания.

Очень важным видом ресурсов являются программные модули. Прежде всего, мы будем рассматривать системные программные модули, поскольку именно они обычно считаются программными ресурсами и поэтому в принципе могут распределяться между выполняющимися процессами.

Как известно, программные модули могут быть однократно используемыми и многократно (или повторно) используемыми. Однократно используемыми называют такие программные модули, которые могут быть правильно выполнены только один раз, то есть в процессе своего выполнения они могут испортить себя: либо повреждается часть кода, либо исходные данные, от которых зависит ход вычислений. Очевидно, что однократно используемые программные модули являются неделимым ресурсом. Более того, их, как правило, вообще не распределяют как ресурс системы. Системные однократно используемые программные модули, как правило, задействуются только на этапе загрузки операционной системы. При этом следует иметь в виду тот очевидный факт, что собственно двоичные файлы, которые обычно хранятся на системном диске и в которых и записаны эти модули, не портятся, а потому Могут быть повторно использованы при следующем запуске операционной системы.

Повторно используемые программные модули, в свою очередь, могут быть непривилегированными, привилегированными и реентерабельными. Все они допускают корректное повторное выполнение программного кода при обращении к нему из другой программы.

Привилегированные программные модули работают в так называемом привилегированном режиме, то есть при отключенной системе прерываний (часто говорят, что прерывания закрыты), когда никакие внешние события не могут нарушить естественный порядок вычислений. Как результат, программный модуль выполняется до своего конца, после чего он может быть вновь вызван на исполнение из другой задачи (другого вычислительного процесса). С позиций стороннего наблюдателя по отношению к вычислительным процессам, которые попеременно (причем, возможно, неоднократно) в течение срока своей «жизни» вызывают некоторый привилегированный программный модуль, такой модуль будет выступать как попеременно разделяемый ресурс. Структура привилегированных программных модулей изображена на рис. 1.8. Здесь в первой секции программного модуля выключается система прерываний. Следовательно, при выполнении вычислений в первой секции ничто не может их прервать, и беспокоиться о промежуточных переменных нет необходимости. В последней секции, напротив, система прерываний включается. Даже если тут же возникнет прерывание и другой процесс запросит этот же привилегированный модуль, все равно все вычисления уже выполнены и ничто не сможет их испортить.

Отключение прерываний

Собственно тело программного модуля

Включение прерываний

Рис. 1.8. Структура привилегированного программного модуля

Непривилегированные программные модули — это обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы. Следовательно, такие модули в общем случае нельзя считать разделяемыми, потому что если после прерывания выполнения такого модуля, исполняемого в рамках одного вычислительного процесса, запустить сто еще раз по требованию другого вычислительного процесса, то промежуточные результаты для прерванных вычислений могут быть потеряны.

В противоположность этому, реентерабельные программные модули¹ допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный их запуск по обращению из других задач (вычислительных процессов). Для этого реентерабельные программные модули должны быть созданы таким образом, чтобы было обеспечено сохранение промежуточных результатов для прерываемых вычислений и возврат к ним, когда вычислительный процесс возобновляется с прерванной ранее точки. Это может быть реализовано двумя способами: с помощью статических и динамических методов выделения памяти под сохраняемые значения. Основным и наиболее часто используемым является динамический способ выделения памяти для сохранения всех промежуточных результатов вычисления, относящихся к реентерабельному программному модулю (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Структура реентерабельного программного модуля

Основная идея построения и работы реентерабельного программного модуля заключается в том, что в первой (головной) своей части путем обращения из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения всех текущих (промежуточных) данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало области данных и ее объем. Все текущие переменные реентерабельного программного модуля в этом случае располагаются в системной области памяти. Адресация этих переменных осуществляется относительно вершины стека. Поскольку в конце привилегированной секции система прерываний включается, то во время работы центральной (основной) части реентерабельного модуля возможно ее прерывание. Если прерывания не возникает, то в третьей (заключительной) секции осуществляется запрос на освобождение используемого блока системной области памяти. При освобождении этой области памяти модифицируется значение стека. Если же во время работы центральной секции возникает прерывание, и другой вычислительный процесс обращается к тому же самому реентерабельному программному модулю, то для этого нового процесса вновь заказывается новый блок памяти в системной области памяти, и на вершину стека записывается новый указатель. Очевидно, что возможно многократное повторное вхождение в реентерабельный программный модуль до тех пор, пока в области системной памяти, выделяемой специально для реентерабельной обработки, есть свободные области, объема которых достаточно для выделения нового блока.

Что касается статического способа выделения памяти, то здесь речь может идти, например, о том, что заранее для фиксированного числа вычислительных процессов резервируются области памяти, в которых будут располагаться переменные реентерабельных программных модулей: для каждого процесса— своя область памяти. Чаще всего в качестве таких процессов выступают процессы ввода-вывода, и речь идет о реентерабельных драйверах¹.

Кроме реентерабельных программных модулей существуют еще повторно входимые (re-entrance). Этим термином называют программные модули, которые тоже допускают свое многократное параллельное использование, но, в отличие от реентерабельных, их нельзя прерывать. Повторно входимые программные модули состоят из привилегированных секций, и повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из таких секций. После выполнения очередной такой привилегированной секции управление может быть передано супервизору, который может предоставить возможность выполняться другой задаче, а значит, возможно повторное вхождение в рассматриваемый программный модуль. Другими словами, в повторно входимых программных модулях четко предопределены все допустимые (возможные) точки входа. Следует отметить, что повторно входимые программные модули встречаются гораздо чаще реентерабельных (повторно прерываемых). Наконец, имеются и информационные ресурсы, то есть в качестве ресурсов могут выступать данные. Информационные ресурсы могут существовать как в виде переменных, находящихся в оперативной памяти, так и в виде файлов. Если процессы используют данные только для чтения, то такие информационные ресурсы можно разделять. Если же процессы могут изменять информационные ресурсы, то необходимо специальным образом организовывать работу с такими данными. Это одна из наиболее сложных проблем.

Классификация операционных систем

Выше мы уже дали определение операционной системы (ОС). Поэтому просто повторим, что основным предназначением ОС является организация эффектив-х и надежных вычислений, создание различных интерфейсов для взаимодействия с этими вычислениями и с самой вычислительной системой.

Широко известно высказывание, согласно которому любая наука начинается с классификации. Само собой, что вариантов классификации может быть очень много, здесь все будет зависеть от выбранного признака, по которому один объект мы будем отличать от другого. Однако, что касается ОС, здесь уже давно сформировалось относительно небольшое количество классификаций: по назначению, по режиму обработки задач, по способу взаимодействия с системой и, наконец, по способам построения (архитектурным особенностям системы).

Прежде всего, традиционно различают ОС общего и специального назначения. ОС специального назначения, в свою очередь, подразделяются на ОС для носимых микрокомпьютеров и различных встроенных систем, организации и ведения баз данных, решения задач реального времени и т. п. Еще не так давно операционные системы для персональных компьютеров относили к ОС специального назначения. Сегодня современные мультизадачные ОС для персональных компьютеров уже многими относятся к ОС общего назначения, поскольку их можно использовать для самых разнообразных целей — так велики их возможности. По режиму обработки задач различают ОС, обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный (мультизадачный) режимы. К однопрограммным ОС относится, например, всем известная, хотя нынче уже практически и не используемая MS DOS. Напомним, что под мультипрограммированием понимается способ организации вычислений, когда на однопроцессорной вычислительной системе создается видимость одновременного выполнения нескольких программ. Любая задержка в решении программы (например, для осуществления операций ввода-вывода данных) используется для выполнения других (таких же либо менее важных) программ. Иногда при этом говорят о мультизадачном режиме, причем, вообще говоря, термины «мультипрограммный режим» и «мультизадачный режим» — это не синонимы, хотя и близкие понятия. Основное принципиальное отличие этих терминов заключается в том, что мультипрограммный режим обеспечивает параллельное выполнение нескольких приложений, и при этом программисты, создающие эти программы, не должны заботиться о механизмах организации их параллельной работы (эти функции берет на себя сама ОС; именно она распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы, осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие). Мультизадачный режим, наоборот, предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится как раз на прикладных программистов. Хотя в современной технической и тем более научно-популярной литературе об этом различии часто забывают и тем самым вносят некоторую путаницу. Можно, однако, заметить, что современные ОС для персональных компьютеров реализуют и мультипрограммный, и мультизадачный режимы.

Если принимать во внимание способ взаимодействия с компьютером, то можно говорить о диалоговых системах и системах пакетной обработки. Доля последних хоть и не убывает в абсолютном исчислении, но в процентном отношении она существенно сократилась по сравнению с диалоговыми системами. При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных) и мультитерминальных ОС. В мультитерминальных ОС с одной вычислительной системой одновременно могут работать несколько пользователей, каждый со своего терминала. При этом у пользователей возникает иллюзия, что у каждого из них имеется собственная вычислительная система. Очевидно, что для организации мультитерминального доступа к вычислительной системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. В качестве одного из примеров мультитерминалъных операционных систем для персональных компьютеров можно назвать Linux. Некая имитация мультитерминальных возможностей имеется и в системе Windows ХР. В этой операционной системе каждый пользователь после регистрации (входа в систему) получаст свою виртуальную машину. Если необходимо временно предоставить компьютер другому пользователю, вычислительные процессы первого можно не завершать, а просто для этого другого пользователя система создает новую виртуальную машину. В результате компьютер будет выполнять задачи и первого, и второго пользователя. Количество параллельно работающих виртуальных машин определяется имеющимися ресурсами.

Основной особенностью операционных систем реального времени (ОСРВ) является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Поток заданий в общем случае не является планомерным и не может регулироваться оператором (характер следования событий можно предсказать лишь в редких случаях), то есть задания поступают в непредсказуемые моменты времени и без всякой очередности. В то время как в ОС, не предназначенных для решения задач реального времени, имеются некоторые накладные расходы процессорною времени на этапе инициирования задач (в ходе которого ОС распознает все пожелания пользователей относительно решения своих задач, загружает в оперативную память нужную программу и выделяет другие необходимые для ее выполнения ресурсы), в ОСРВ подобные затраты могут отсутствовать, так как набор задач обычно фиксирован, и вся информация о задачах известна еще до поступления запросов. Для подлинной реализации режима реального времени необходима (хотя этого и недостаточно) организация мультипрограммирования. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности вычислительной системы, а для решения задач реального времени производительность становится важнейшим фактором. Лучшие характеристики по производительности для систем реального времени обеспечиваются однотерминальными ОСРВ. Средства организации мудьтитерминального режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из наиболее известных ОСРВ для персональных компьютеров является ОС QNX.

По основному архитектурному принципу операционные системы разделяются на микроядерные и макроядерные (монолитные). В некоторой степени это разделение тоже условно, однако можно в качестве яркого примера микроядерной ОСРВ QNX, тогда как в качестве монолитной можно назвать Windows 95/98 или ОС Linux. Если ядро ОС Windows мы не можем изменить, нам недоступны исходные коды и у нас нет программы для сборки (компиляции) этого ядра, то в случае с Linux мы можем сами собрать то ядро, которое нам необходимо, включить в него те программные модули и драйверы, которые мы считаем целесообразным включить именно в ядро (ведь к ним можно обращаться и из ядра).

Контрольные вопросы и задачи

1. Что такое операционная система? Перечислите основные функции операционных систем.

2. Что означает термин «авторизация»? Что означает термин «аутентификация»? Какая из этих операций выполняется раньше и почему?

3. Что такое операционная среда? Какие основные, наиболее известные операционные среды вы можете перечислить?

4. Что такое прерывание? Какие шаги выполняет система прерываний при возникновении запроса на прерывание? Какие бывают прерывания?

5. Перечислите известные дисциплины обслуживания прерываний; объясните, как можно реализовать каждую из этих дисциплин.

6. С какой целью и операционные системы вводится специальный системный модуль, иногда называемый супервизором прерываний?

7. Как можно и как следует толковать процесс — одно из основных понятий операционных систем? Объясните, в чем заключается различие между такими понятиями, как «процесс» и «задача»?

8. Изобразите диаграмму состояний процесса, поясните все возможные переходы из одного состояния в другое.

9. Объясните значения терминов «задача», «процесс», «поток выполнения»? Как они между собой соотносятся?

10. Для чего каждая задача получает соответствующий дескриптор? Какие поля, как правило, содержатся в дескрипторе процесса (задачи)? Что такое «контекст задачи»?

11. Объясните понятие ресурса. Почему понятие ресурса является одним из фундаментальных при рассмотрении операционных систем? Какие виды и типы ресурсов вы знаете?

12. Как вы считаете, сколько и каких списков дескрипторов задач может быть в системе? От чего должно зависеть это число?

13. В чем заключается различие между повторно входимыми и реентерабельными программными модулями? Как они реализуются?

14. Что такое привилегированный программный модуль? Почему нельзя создать мультипрограммную операционную систему, в которой бы не было привилегированных программных модулей?

Глава 2. Управление задачами

Понятия процесса (process) и потока выполнения (thread) нам уже известны. Мы теперь знаем, в чем здесь имеется сходство, а в чем — существенное различие. Однако в данной главе при рассмотрении вопросов распределения процессорного времени мы не всегда будем разделять эти понятия. Дело в том, что по отношению к этому ресурсу — процессорному времени — оба этих понятия практически эквиваленты. Они выступают просто как некоторая работа, для выполнения которой необходимо предоставить центральный процессор. Поэтому мы будем в основном использовать термин задача (task), который является как бы обобщающим. Ведь каждый поток выполнения на самом деле получает статус задачи, и для него создается соответствующий дескриптор. Но мы должны помнить о различиях между дескриптором процесса и дескриптором задачи. Даже если процесс состоит из единственного потока, мы говорим о дескрипторе процесса, содержащем информацию, с помощью которой операционная система отслеживает все ресурсы, необходимые процессу для его выполнения. Один из основных модулей супервизора операционной системы — диспетчер задач — переводит процессы в одно из состояний в зависимости от того, доступен тот или иной ресурс или не доступен. И поскольку в мультизадачной системе любой процесс содержит хотя бы один поток, то потоку (то есть задаче) ставится в соответствие дескриптор задачи, в котором сохраняется контекст этих вычислений. Сказанное справедливо для мультипрограммных систем, поддерживающих мультизадачный режим. В мультипрограммных системах, не поддерживающих мультизадачность, контекст прерванного процесса хранится в дескрипторе этого процесса. Заметим, что повсеместно распространенные системы Windows 9x /NT/2000/XP являются и мультипрограммными, и мультизадачными. Не случайно начиная с Windows NT и Windows 95 компания Microsoft отказалась от термина «задача» и стала использовать понятия процесса и потока выполнения (треда, нити). Правда, для изложения вопросов диспетчеризации это становится неудобным, ибо здесь чаще используется обобщающее понятие, еще одним доводом в пользу термина «задача» при рассмотрении вопросов организации распределения процессорного времени между выполняющимися вычислениями является аналогичный выбор этой сущности разработчиками процессоров. Именно для отображения этой ситуации и обеспечения дополнительными возможностями системных программистов в решении вопросов распределения процессорного времени они вводят специальные информационные структуры и аппаратную поддержку для работы с ними. Во многих современных микропроцессорах, предназначенных для построения на их основе мощных мультипрограммных и мультизадачных систем, имеются дескрипторы задач. Примером, подтверждающим этот тезис, являются микропроцессоры, совместимые с архитектурой ia32, то есть с 32-разрядными процессорами фирмы Intel. Основные архитектурные особенности этих микропроцессоров, специально проработанные для организации мультизадачных операционных систем, рассматриваются достаточно подробно в главе 4. Здесь мы лишь отметим тот факт, что в этих процессорах имеется специальная аппаратная поддержка организации мультизадачного (и мультипрограммного) режима. Речь идет о сегменте состояния задачи (Task State Segment, TSS), который предназначен, прежде всего, для сохранения контекста потока или процесса и который легко позволяет организовать и мультипрограммный, и мультизадачный режимы. Не случайно был введен термин «задача», ибо он здесь применим и по отношению к полноценному вычислительному процессу, и по отношению к легковесному процессу (потоку выполнения, треду, нити). На самом деле этот аппаратный механизм применяется гораздо реже, чем об этом думали разработчики архитектуры ia32. На практике оказалось, что для сохранения контекста потоков эффективнее использовать программные механизмы, хотя они и не обеспечивают такой же надежности, как аппаратные.

Итак, операционная система выполняет следующие основные функции, связанные с управлением процессами и задачами:

□ создание и удаление задач;

□ планирование процессов и диспетчеризация задач;

□ синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.
Создание задачи сопряжено с формированием соответствующей информационной структуры, а ее удаление — с расформированием. Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между задачами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «отцом», «родителем», а порожденная — «потомком». Отец может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, тогда как потомок не может управлять отцом.

Процессор является одним из самых необходимых ресурсов для выполнения вычислений. Поэтому способы распределения времени центрального процессора между выполняющимися задачами сильно влияют и на скорость выполнения отдельных вычислений, и на общую эффективность вычислительной системы. Основным подходом в организации того или иного метода управления процессами, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение каких-либо иных целей, является организация очередей процессов и ресурсов. При распределении процессорного времени между задачами также используется механизм очередей.

Решение вопросов, связанных с тем, какой задаче следует предоставить процессорное время в данный момент, возлагается на специальный модуль операционный системы, чаще всего называемый диспетчером задач. Вопросы же подбора вычислительных процессов, которые не только можно, но и целесообразно решать параллельно, возлагаются на планировщик процессов.

Вопросы синхронизации задач и обеспечение их различными средствами передачи сообщений и данных между ними вынесены в отдельную главу, и сейчас мы их рассматривать не будем.

Планирование и диспетчеризация

процессов и задач

Когда говорят о диспетчеризации, то всегда в явном или неявном виде подразумевают понятие задачи (потока выполнения). Если операционная система не поддерживает механизм потоковых вычислений, то можно заменять понятие задачи понятием процесса. Ко всему прочему, часто понятие задачи используется в таком контексте, что для его трактовки приходится использовать термин «процесс».

Очевидно, что на распределение ресурсов влияют конкретные потребности тех задач, которые должны выполняться параллельно. Другими словами, можно столкнуться с ситуациями, когда невозможно эффективно распределять ресурсы с тем, чтобы они не простаивали. Например, пусть всем выполняющимся процессам требуется некоторое устройство с последовательным доступом. Но поскольку, как мы уже знаем, оно не может разделяться между параллельно выполняющимися процессами, то процессы вынуждены будут очень долго ждать своей очереди, то есть недоступность одного ресурса может привести к тому, что длительное время не будут использоваться многие другие ресурсы.

Если же мы возьмем такой набор процессов, что они не будут конкурировать между собой за неразделяемые ресурсы при своем параллельном выполнении, то, скорее всего, процессы смогут выполниться быстрее (из-за отсутствия дополнительных ожиданий), да и имеющиеся в системе ресурсы, скорее всего, будут использоваться более эффективно. Таким образом, возникает задача подбора такого множества процессов, которые при своем выполнении будут как можно реже конфликтовать за имеющиеся в системе ресурсы. Такая задача называется планированием вычислительных процессов.

Задача планирования процессов возникла очень давно — в первых пакетных операционных системах при планировании пакетов задач, которые должны были выполняться на компьютере и по возможности бесконфликтно и оптимально использовать его ресурсы. В настоящее время актуальность этой задачи стала меньше, первый план уже очень давно вышли задачи динамического (или краткосрочного) планирования, то есть текущего наиболее эффективного распределения ресурсов, возникающего практически по каждому событию. Задачи динамического планирования стали называть диспетчеризацией. Очевидно, что планирование процессов осуществляется гораздо реже, чем текущее распределение ресурсов между уже выполняющимися задачами. Основное различие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками заключается в частоте их запуска, например: краткосрочный планировщик может запускаться каждые 30 или 100 мс, долгосрочный — один раз в несколько минут (или чаще; тут многое зависит от общей длительности решения заданий пользователей).

Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во входной очереди, в случае освобождения ресурсов памяти должен быть переведен в очередь процессов, готовых к выполнению. Долгосрочный планировщик выбирает процесс из входной очереди с целью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очереди готовых к выполнению процессов должны находиться в разной пропорции как процессы, ориентированные на ввод-вывод, так и процессы, ориентированные преимущественно на активное использование центрального процессора.

Краткосрочный планировщик решает, какая из задач, находящихся в очереди готовых к выполнению, должна быть передана на исполнение. В большинстве современных операционных систем, с которыми мы сталкиваемся, долгосрочный планировщик отсутствует.

Планирование вычислительных процессов и стратегии планирования

Прежде всего, следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирования, как правило, идет речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчеризации. Долгосрочное планирование, как мы уже отметили, заключается в подборе таких вычислительных процессов, которые бы меньше всего конкурировали между собой за ресурсы вычислительной системы. Иногда используется термин стратегия обслуживания.

Стратегия планирования определяет, какие процессы мы планируем на выполнение для того, чтобы достичь поставленной цели. Известно большое количество различных стратегий выбора процесса, которому необходимо предоставить процессор. Среди них, прежде всего, можно выбрать следующие:

· по возможности заканчивать вычисления (вычислительные процессы) в том же самом порядке, в котором они были начаты;

· отдавать предпочтение более коротким вычислительным задачам;

· предоставлять всем пользователям (процессам пользователей) одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.

Когда говорят о стратегии обслуживания, всегда имеют в виду понятие процесса, а не понятие задачи, поскольку процесс, как мы уже знаем, может состоять из нескольких потоков выполнения (задач).

На сегодняшний день абсолютное большинство компьютеров — это персональные IBM-совместимые компьютеры, работающие на платформах Windows компании Microsoft. Это однопользовательские диалоговые мультипрограммные и мультизадачные системы. При создании операционных систем для персональных компьютеров разработчики, прежде всего, стараются обеспечить комфортную работу с системой, то есть основные усилия уходят на проработку пользовательского интерфейса. Что касается эффективности организации вычислений, то она, видимо, тоже должна оцениваться с этих позиций. Если же считать системы Windows операционными системами общего назначения, что тоже возможно, ибо эти системы повсеместно используют для решения самых разнообразных задач автоматизации, то также следует признать, что принятые в системах Windows стратегии обслуживания приводя к достаточно высокой эффективности вычислений. Некоторым даже удается использовать системы Windows NT/2000 для решения задач реального времени. Однако выбор этих операционных систем для таких задач скорее всего делается либо вследствие некомпетентности, либо из-за невысоких требований ко времени отклика и гарантиям обслуживания со стороны самих систем реального времени, которые реализуются на Windows NT/2000.

Прежде всего, система, ориентированная на однопользовательский режим, должна обеспечить хорошую реакцию системы на запросы от того приложения, с которым сейчас пользователь работает. Мало пользователей, которые могут параллельно работать с большим числом приложений. Поэтому по умолчанию для задачи, с которой пользователь непосредственно работает и которую называют задачей переднего плана (foreground task), система устанавливает более высокий уровень приоритета. В результате процессорное время прежде всего предоставляется текущей задаче пользователя, и он не будет испытывать лишний раз дискомфорт из-за медленной реакции системы на его запросы. Для обеспечения надлежащей работы коммуникационных процессов и для возможности выполнять системные функции приоритет задач пользователя должен быть ниже, чем у тех задач, которые реализуют операции ввода-вывода и иные управляющие функции.

Например, в Windows 2000 можно открыть окно Свойства системы, перейти на вкладку Дополнительно, щелчком на кнопке Параметры быстродействия открыть одноименное окно и с помощью переключателя в разделе Отклик приложений установить режим Оптимизировать быстродействие приложений. Это будет соответствовать выбору такой стратегии диспетчеризации задач, в соответствии с которой приоритет на получение процессорного времени будут иметь задачи пользователя, а не фоновые служебные вычисления. В предыдущей версии ОС – Windows NT 4.0- для выбора нужной ему стратегии пользователь должен был на вкладке Быстродействие окна Свойства системы установить желаемое значение в поле Ускорение приложения переднего плана. Это ускорение можно сделать максимальным (по умолчанию) а можно его свести к нулю. Последний вариант означал бы, что запущенные пользователем приложения будут иметь одинаковый приоритет. Последнее важно, если пользователь часто запускает сразу по нескольку задач, каждая из которых требует длительных вычислений, причем эти приложения часто используют операции ввода-вывода. Например, если нужно обработать несколько десятков музыкальных или графических файлов, причем каждый файл имеет большие размеры, то выполнение всей этой работы как множества параллельно исполняющихся задач будет завершено за меньшее время, если указать стратегию равенства обслуживания. Должно быть очевидным, что любой другой вариант решения этой задачи потребует больше времени. Например, последовательное выполнение задач обработки каждого файла (то есть обработка следующего файла может начинаться только по окончании обработки предыдущего) приведет к самому длительному варианту. Стратегия предоставления процессорного времени в первую очередь текущей задаче пользователя, которая установлена в системах Windows по умолчанию, приведет нас к промежуточному (по затратам времени) результату.

Очевидно, что в идеале в очереди готовых к выполнению задач должны находиться в разной пропорции как задачи, ориентированные на ввод-вывод, так и задачи, ориентированные преимущественно на работу с центральным процессором. Практически все операционные системы стараются учесть это требование, однако не всегда оно выполняется настолько удачно, что пользователь получает превосходное время реакции системы на свои запросы и при этом видит, что его ресурсоемкие приложения выполняются достаточно быстро.

Дисциплины диспетчеризации

Известно большое количество дисциплин диспетчеризации, то есть правил формирования очереди готовых к выполнению задач, в соответствии с которыми формируется эта очередь (список). Иногда их называют дисциплинами обслуживания, опуская тот факт, что речь идет о распределении процессорного времени. Одни дисциплины диспетчеризации дают наилучшие результаты для одной стратегии обслуживания, в то время как для другой стратегии они могут быть вовсе неприемлемыми. Известно большое количество дисциплин диспетчеризации. Мы же, несмотря на статус этой книги, рассмотрим далеко не все, а только те, которые признаны наиболее эффективными и до сих пор имеют применение. Прежде всего, различают два больших класса дисциплин обслуживания: бесприоритетные и приоритетные. При бесприоритетном обслуживании выбор задач производится в некотором заранее установленном порядке без учета их относительной важности и времени обслуживания. При реализации приоритетных дисциплин обслуживания отдельным задачам предоставляется преимущественное право попасть в состояние исполнения. Перечень дисциплин обслуживания и их классификация приведены на рис. 2.1.

В концепции приоритетов имеем следующие варианты:

· приоритет, присвоенный задаче, является величиной постоянной;

· приоритет изменяется в течение времени решения задачи (динамический приоритет).

Рис. 2.1. Дисциплины диспетчеризации

Диспетчеризация с динамическими приоритетами требует дополнительных расходов на вычисление значений приоритетов исполняющихся задач, поэтому во многих операционных системах реального времени используются методы диспетчеризации на основе абсолютных приоритетов. Это позволяет сократить время реакции системы на очередное событие, однако требует детального анализа всей системы для правильного присвоения соответствующих приоритетов всем исполняющимся задачам с тем, чтобы гарантировать обслуживание. Проблему гарантии обслуживания мы рассмотрим ниже.

Рассмотрим некоторые основные (наиболее часто используемые) дисциплины диспетчеризации.

Самой простой в реализации является дисциплина FCFS (First Come First Served -первым пришел, первым обслужен), согласно которой задачи обслуживаются «в порядке очереди», то есть в порядке их появления. Те задачи, которые были заблокированы в процессе работы (попали в какое-либо ил состояний ожидания, например из-за операций ввода-вывода), после перехода в состояние готовности вновь ставятся в эту очередь готовности. При этом возможны два варианта. Первый (самый простой) — это ставить разблокированную задачу в конец очереди готовых к выполнению задач. Этот вариант применяется чаще всего. Второй вариант заключается в том, что диспетчер помещает разблокированную задачу перед теми задачами, которые еще не выполнялись. Другими словами, в этом случае образуется две очереди (рис. 2.2): одна очередь образуется из новых задач, а вторая очередь — из ранее выполнявшихся, но попавших в состояние ожидания. Такой подход позволяет реализовать стратегию обслуживания «по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления». Эта дисциплина обслуживания не требует внешнего вмешательства в ход вычислений, при ней не происходит перераспределения процессорного времени. Про нее можно сказать, что она относится к не вытесняющим дисциплинам.

Рис. 2.2. Дисциплина диспетчеризации FCFS

К достоинствам этой дисциплины прежде всего можно отнести простоту реализации и малые расходы системных ресурсов на формирование очереди задач.

Однако эта дисциплина приводит к тому, что при увеличении загрузки вычислительной системы растет и среднее время ожидания обслуживания, причем короткие задания (требующие небольших затрат машинного времени) вынуждены ожидать столько же, сколько трудоемкие задания. Избежать этого недостатка позволяют дисциплины SJN и SRT. Правило FCFS применяется и в более сложных дисциплинах диспетчеризации. Например, в приоритетных дисциплинах диспетчеризации, если имеется несколько задач с одинаковым приоритетом, которые стоят в очереди готовых к выполнению задач, то попадают они в эту очередь с учетом времени. Дисциплина обслуживания SJN (Shortest Job Next — следующим выполняется самое короткое задание) требует, чтобы для каждого задания была известна оценка в потребностях машинного времени. Необходимость сообщать операционной системе характеристики задач с описанием потребностей в ресурсах вычислительной системы привела к тому, что были разработаны соответствующие языковые средства. В частности, ныне уже забытый язык JSL (Job Control Language - язык управления заданиями) был одним из наиболее известных. Пользователи вынуждены были указывать предполагаемое время выполнения задачи и для того, чтобы они не злоупотребляли возможностью указать заведомо меньшее время выполнения (с целью возможности получить результаты раньше других), ввели подсчет реальных потребностей. Диспетчер задач сравнивал заказанное время и время выполнения и в случае превышения указанной оценки потребности в данном ресурсе ставил данное задание не в начало, а в конец очереди. Еще в некоторых операционных системах в таких случаях использовалась система штрафов, при которой в случае превышения заказанного машинного времени оплата вычислительных ресурсов осуществлялась уже по другим расценкам.

Дисциплина обслуживания SJN предполагает, что имеется только одна очередь заданий, готовых к выполнению. Задания, которые в процессе своего исполнения были временно заблокированы (например, ожидали завершения операций ввода-вывода), вновь попадали в конец очереди готовых к выполнению наравне с вновь поступающими. Это приводило к тому, что задания, которым требовалось очень немного времени для своего завершения, вынуждены были ожидать процессор наравне с длительными работами, что не всегда хорошо.

Для устранения этого недостатка и была предложена дисциплина SRT (Shortest Remaining Time) — следующим будет выполняться задание, которому осталось меньше всего выполняться на процессоре.

Все эти три дисциплины обслуживания могут использоваться для пакетных режимов обработки, когда пользователю не нужно ждать реакции системы — он просто сдает свое задание и через несколько часов получает результаты вычислений. Для интерактивных же вычислений желательно прежде всего обеспечить приемлемое время реакции системы. Если же система является мультитерминальной, помимо малого времени реакции системы на запрос пользователя желательно, чтобы она обеспечивала и равенство в обслуживании. Можно сказать, что стратегия обслуживания, согласно которой главным является равенство обслуживания приемлемом времени обслуживания, является главной для систем разделения времени. Кстати, UNIX-системы реализуют дисциплины обслуживания, соответствующие именно этой стратегии.

Если же это однопользовательская система, но с возможностью мультипрограммной обработки, то желательно, чтобы те программы, с которыми непосредственно работает пользователь, имели лучшее время реакции, нежели фоновые задания. При этом желательно, чтобы некоторые приложения, выполняясь без непосредственного участия пользователя (например, программа получения электронной почты, использующая модем и коммутируемые линии для передачи данных), тем не менее, гарантированно получали необходимую им долю процессорного времени. Для решения перечисленных проблем используется дисциплина обслуживания, называемая карусельной (Round Robin, RR), и приоритетные методы обслуживания.

Дисциплина обслуживания RR предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями или, как говорят, квантами времени (time slice) q. После окончания кванта времени q задача снимается с процессора, и он передается следующей задаче. Снятая задача ставится в конец очереди задач, готовых к выполнению. Эту дисциплину обслуживания иллюстрирует рис. 2.3. Для оптимальной работы системы необходимо правильно выбрать закон, по которому кванты времени выделяются задачам.

Рис. 2.3. Карусельная дисциплина диспетчеризации

Величина кванта времени q выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей (с тем, чтобы их простейшие запросы не вызывали длительного ожидания) и накладными расходами на частую смену контекста задач. Очевидно, что при прерываниях операционная система вынуждена выполнять большой объем работы, связанной со сменой контекста. Она должна сохранить достаточно большой объем информации о текущем (прерываемом) процессе, поставить дескриптор снятой задачи в очередь, занести в рабочие регистры процессора соответствующие значения для той задачи, которая теперь будет выполняться (ее дескриптор расположен первым в очереди готовых к исполнению задач). Если величина q велика, то при увеличении очереди готовых к выполнению задач реакция системы станет медленной. Если же величина q мала, то относительная доля накладных расходов на переключения контекста между исполняющимися задачами увеличится, и это ухудшит производительность системы.

В некоторых операционных системах есть возможность указывать в явном виде величину кванта времени или диапазон возможных значений, тогда система будет стараться выбирать оптимальное значение сама. Например, в операционной системе OS/2 в файле CONFIG.SYS есть возможность с помощью оператора TIMESLICE указать минимальное и максимальное значения для кванта q. Так, например, строка TIMESLICE=32,256 указывает, что минимальное значение равно 32 мс, а максимальное — 256. Если некоторая задача прервана, поскольку израсходован выделенный ей квант времени q, то следующий выделенный ей интервал будет увеличен на время, равное одному периоду таймера (около 32 мс), и так до тех пор, пока квант времени не станет равным максимальному значению, указанному в операторе TIMESLICE. Этот метод позволяет OS/2 уменьшить накладные расходы на переключение задач в том случае, если несколько задач параллельно выполняют длительные вычисления. Следует заметить, что диспетчеризация задач в этой операционной системе реализована, пожалуй, наилучшим образом с точки зрения реакции системы и эффективности использования процессорного времени.

Дисциплина карусельной диспетчеризации более всего подходит для случая, когда все задачи имеют одинаковые права на использование ресурсов центрального процессора. Однако как мы знаем, равенства в жизни гораздо меньше, чем неравенства. Одни задачи всегда нужно решать в первую очередь, тогда как остальные могут подождать. Это можно реализовать за счет того, что одной задаче мы (или диспетчер задач) присваиваем один приоритет, а другой задаче — другой. Задачи в очереди будут располагаться в соответствии с их приоритетами. Формирует очередь диспетчер задач. Процессор в первую очередь будет предоставляться задаче с самым высоким приоритетом, и только если ее потребности в процессоре удовлетворены или она попала в состояние ожидания некоторого события, диспетчер может предоставить его следующей задаче. Многие дисциплины диспетчеризации по-разному используют основную идею карусельной диспетчеризации и механизм приоритетов.

Дисциплина диспетчеризации RR — это одна из самых распространенных дисциплин. Однако бывают ситуации, когда операционная система не поддерживает в явном виде дисциплину карусельной диспетчеризации. Например, в некоторых операционных системах реального времени используется диспетчер задач, работающий по принципу абсолютных приоритетов (процессор предоставляется задаче с максимальным приоритетом, а при равенстве приоритетов он действует по принципу очередности). Другими словами, причиной снятия задачи с выполнения может быть только появление задачи с более высоким приоритетом. Поэтому если нужно организовать обслуживание задач таким образом, чтобы все они получали процессорное время равномерно и равноправно, то системный оператор может сам организовать эту дисциплину. Для этого достаточно всем пользовательским задачам присвоить одинаковые приоритеты и создать одну высокоприоритетную задачу которая не должна ничего делать, но которая, тем не менее, будет по таймеру (через указанные интервалы времени) планироваться на выполнение. Благодаря высокому приоритету этой задачи текущее приложение будет сниматься с выполнения и ставиться в конец очереди, а поскольку этой высокоприоритетной задаче

на самом деле ничего делать не надо, то она тут же освободит процессор, и из очереди готовности будет взята следующая задача.

В своей простейшей реализации дисциплина карусельной диспетчеризации предполагает, что все задачи имеют одинаковый приоритет. Если же необходимо ввести механизм приоритетного обслуживания, то это, как правило, делается за счет организации нескольких очередей. Процессорное время предоставляется в первую очередь тем задачам, которые стоят в самой привилегированной очереди. Если она пустая, то диспетчер задач начинает просматривать остальные очереди. Именно по такому алгоритму действует диспетчер задач в операционных системах OS/2, Windows 9x, Windows NT/2000/XP и многих других. Отличия в основном заключаются в количестве очередей и в правилах, касающихся перемещения задач из одной очереди в другую.

Известные дисциплины диспетчеризации (мы здесь рассмотрели только основные) могут применять или не применять еще одно правило, касающееся перераспределения процессора между выполняющимися задачами.

Есть дисциплины, в которых процессор принудительно может быть отобран у текущей задачи. Такие дисциплины обслуживания называют вытесняющими, поскольку одна задача вытесняется другой. Другими словами, возможно принудительное перераспределение процессорного времени между выполняющимися задачами. Оно осуществляется самой операционной системой, отбирающей периодически процессор у выполняющейся задачи.

А есть дисциплины диспетчеризации, в которых ничто не может отобрать у задачи процессор, пока она сама его не освободит. Освобождение процессора в этом случае, как правило, связано с тем, что задача попадает в состояние ожидания некоторого события.

Итак, диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть не вытесняющая (non-preemptive multitasking), или кооперативная, многозадачность (cooperative multitasking), — это такой способ диспетчеризации задач; при котором активная задача выполняется до тех пор, пока она сама, что называется «по собственной инициативе», не отдаст управление диспетчеру задач для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс или поток. Дисциплины обслуживания FCFS, SJN, SRT относятся к не вытесняющим.

Диспетчеризация с перераспределением процессорного времени между задачами, то есть вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking), — это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой принимается диспетчером задач, а не самой активной задачей. При вытесняющей многозадачности механизм диспетчеризации задач целиком сосредоточен в операционной системе, и программист может писать свое приложение, не заботясь о том, как оно будет выполняться параллельно с другими задачами (процессами и потоками). При этом операционная система выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения текущей задачи, сохраняет ее контекст в дескрипторе задачи, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст. Дисциплина RR и многие другие, построенные на ее основе, относятся к вытесняющим.

При не вытесняющей многозадачности процессорное время распределено между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от операционной системы, сама должна определить момент завершения своей очередной итерации и передачи управления супервизору операционной системы с помощью соответствующего системного вызова. При этом естественно, что диспетчер задач, так же как и в случае вытесняющей мультизадачности, формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом порядка поступления задач или их приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает некоторые проблемы как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой может теряться на некоторый произвольный период времени, который определяется процессом выполнения приложения (а не системой, старающейся всегда обеспечить приемлемое время реакции на запросы пользователей). Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы (например, на форматирование диска), пользователь не может переключиться с этой на другую задачу (например, на текстовый или графический редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме). Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу. Поэтому разработчики приложений для не вытесняющей операционной среды, возлагая на себя функции диспетчера задач, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Так, упомянутая выше программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста.

Например, в ныне уже забытой операционной среде Windows 3.x нативные 16-разрядные приложения этой системы разделяли между собой процессорное время именно таким образом. И именно программисты должны были обеспечивать «дружественное» отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая управление ядру системы. Крайним проявлением «недружественности» приложения является его зависание, приводящее к общему краху системы — прекращению всех вычислений. В системах с вы-тесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный механизм диспетчеризации, во-первых, обеспечивает все задачи проворным временем, во-вторых, дает возможность иметь надежные механизмы мониторинга вычислений и, в-третьих, позволяет снять зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций диспетчеризации между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и достоинством, потому что дает возможность разработчику приложений самому планировать распределение процессорного времени наиболее подходящим для данного фиксированного набора задач образом Так как разработчик сам определяет в программе момент времени передачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в «неудобные» для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой их не изменит. Примером эффективного применения не вытесняющей многозадачности является сетевая операционная система Novell NetWare, в которой в значительной степени благодаря этому достигнута высокая скорость выполнения файловых операций. Менее удачным оказалось использование не вытесняющей многозадачности в операционной среде Windows 3.x. К счастью, на сегодня эта операционная система уже нигде не применяется, ее с успехом заменила сначала Windows 95, а затем и Windows 98. Правда, следует заметить, что при выполнении в этих операционных системах старых 16-разрядных приложений, разработанных в свое время для операционной среды Win16 API, создается виртуальная машина, работающая по принципам не вытесняющей многозадачности.

Качество диспетчеризации и гарантии обслуживания

Одна из проблем, которая возникает при выборе подходящей дисциплины обслуживания — это гарантия обслуживания. Дело в том, что в некоторых дисциплинах, например в дисциплине абсолютных приоритетов, низкоприоритетные процессы получаются обделенными многими ресурсами и, прежде всего, процессорным временем. Возникает реальная дискриминация низкоприоритетных задач, в результате чего они достаточно длительное время могут не получать процессорное время. В конце концов, некоторые процессы и задачи вообще могут быть не выполнены к заданному сроку. Известны случаи, когда вследствие высокой загрузки вычислительной системы отдельные процессы вообще не выполнились, несмотря на то что прошло несколько лет (!) с момента их планирования. Поэтому вопрос гарантии обслуживания является очень актуальным.

Более жестким требованием к системе, чем просто гарантированное завершение процесса, является его гарантированное завершение к указанному моменту времени или за указанный интервал времени. Существуют различные дисциплины диспетчеризации, учитывающие жесткие временные ограничения, но не существует дисциплин, которые могли бы предоставить больше процессорного времени, чем может быть в принципе выделено.

Планирование с учетом жестких временных ограничений легко реализовать, организуя очередь готовых к выполнению задач в порядке возрастания их временных ограничений. Основным недостатком такого простого упорядочения является то, что задача (за счет других задач) может быть обслужена быстрее, чем это ей реально необходимо. Чтобы избежать этого, проще всего процессорное время выделять все-таки квантами. А после получения задачей своего кванта времени операционная система, оценив некоторое множество факторов (важных с точки зрения оптимизации распределения процессорного времени и гарантий обслуживания к заданному сроку), может переназначить приоритет задаче. Это позволит ей более гибко использовать механизм приоритетов и иметь механизмы гарантии обслуживания.

Гарантировать обслуживание можно, например, следующими тремя способами.

□ Выделять минимальную долю процессорного времени некоторому классу процессов, если по крайней мере один из них готов к исполнению. Например, можно отводить 20 % от каждых 10 мс процессам реального времени, 40 % от каждых 2 с — интерактивным процессам и 10 % от каждых 5 мин — пакетным (фоновым) процессам.

□ Выделять минимальную долю процессорного времени некоторому конкретному процессу, если он готов к выполнению.

□ Выделять столько процессорного времени некоторому процессу, чтобы он мог выполнить свои вычисления к сроку.

Для сравнения алгоритмов диспетчеризации обычно используются некоторые критерии.

□ Загрузка центрального процессора (CPU utilization). В большинстве персональных систем средняя загрузка процессора не превышает 2-3 %, доходя в моменты выполнения сложных вычислений и до 100 %. В реальных системах, где компьютеры (например, серверы) выполняют очень много работы, загрузка процессора колеблется в пределах от 15-40 % (для легко загруженного процессора) до 90-100 % (для тяжело загруженного процессора).

□ Пропускная способность центрального процессора (CPU throughput). Пропускная способность процессора может измеряться количеством процессов, которые выполняются в единицу времени.

□ Время оборота (turnaround time). Для некоторых процессов важным критерием является полное время выполнения, то есть интервал от момента появления процесса во входной очереди до момента его завершения. Это время названо временем оборота и включает время ожидания во входной очереди, время ожидания в очереди готовых процессов, время ожидания в очередях к оборудованию, время выполнения в процессоре и время ввода-вывода.

□ Время ожидания (waiting time). Под временем ожидания понимается суммарное время нахождения процесса в очереди готовых процессов.

□ Время отклика (response time). Для интерактивных программ важным показателем является время отклика, или время, прошедшее от момента попадания процесса во входную очередь до момента первого обращения к терминалу.

Очевидно, что простейшая стратегия краткосрочного планировщика должна быть направлена на максимизацию средних значений загруженности и пропускной способности, времени ожидания и времени отклика.

Правильное планирование процессов в значительной степени влияет на производительность всей системы. Можно выделить следующие главные причины, приводящие к снижению производительности системы.

□ Накладные расходы на переключение процессора. Они определяются не только переключениями контекстов задач, но и (при переключении на потоки другого приложения) перемещениями страниц виртуальной памяти, а также необходимостью обновления данных в кэше (коды и данные одной задачи, находящиеся в кэше, не нужны другой задаче и будут заменены, что приведет к дополнительным задержкам).

□ Переключение на другую задачу в тот момент, когда текущая задача выполняет критическую секцию, а другие задачи активно ожидают входа в свою критическую секцию. В этом случае потери будут особо велики (хотя вероятность прерывания выполнения коротких критических секций мала).

В случае мультипроцессорных систем применяются следующие методы повышения производительности системы:

□ совместное планирование, при котором все потоки одного приложения (неблокированные) одновременно ставятся на выполнение процессорами и одновременно снимаются с выполнения (для сокращения переключений контекста);

□ планирование, при котором находящиеся в критической секции задачи не прерываются, а активно ожидающие входа в критическую секцию задачи не ставятся на выполнение до тех пор, пока вход в секцию не освободится;

□ планирование с учетом так называемых подсказок (hints) программы (во время се выполнения), например, в известной своими новациями ОС Mach имелось два класса таких подсказок: во-первых, указания (разной степени категоричности) о снятии текущего процесса с процессора, во-вторых, указания о том процессе, который должен быть выбран взамен текущего.

Одним из основных методов гарантии обслуживания является использование динамических приоритетов.

Диспетчеризация задач с использованием

динамических приоритетов

При выполнении программ, реализующих какие-нибудь задачи контроля и управления (что характерно, прежде всего, для систем реального времени), может случиться такая ситуация, когда одна или несколько задач не могут быть реализованы (решены) в течение длительного промежутка времени из-за возросшей нагрузки в вычислительной системе. Потери, связанные с невыполнением таких задач, могут оказаться больше, чем потери от невыполнения программ с более высоким приоритетом. При этом оказывается целесообразным временно изменить приоритет «аварийных» задач (для которых истекает отпущенное для них время обработки). После выполнения этих задач их приоритет восстанавливается. Поэтому почти в любой операционной системе реального времени (ОС РВ) имеются средства для динамического изменения приоритета (dynamic priority variation) задачи. Есть такие средства и во многих операционных системах, которые не относятся к классу ОС РВ. Рассмотрим, например, как реализован механизм динамических приоритетов в операционной системе UNIX, которая, как известно, не относится к ОС РВ. Операционные системы класса UNIX относятся к мультитерминальньм диалоговым системам. Основная стратегия обслуживания, применяемая в UNIX-системах, — это равенство в обслуживании и обеспечение приемлемого времени реакции системы. Реализуется эта стратегия за счет дисциплины диспетчеризации RR с несколькими очередями и механизма динамических приоритетов. Приоритет процесса вычисляется следующим образом. Во-первых, в вычислении участвуют значения двух полей дескриптора процесса— p_nice и p_cpu. Первое из них назначается пользователем явно или формируется по умолчанию с помощью системы программирования. Второе поле формируется диспетчером задач (планировщиком разделения времени) и называется системной составляющей или текущим приоритетом. Другими словами, каждый процесс имеет два атрибута приоритета. С учетом этого приоритета и распределяется между исполняющимися задачами процессорное время: текущий приоритет, на основании которого происходит планирование, и заказанный относительный приоритет (называемый nice number, или просто nice).

Схема нумерации текущих приоритетов различна для различных версий UNIX. Например, более высокому значению текущего приоритета может соответствовать более низкий фактический приоритет планирования. Разделение между приоритетами режима ядра и задачи также зависит от версии. Рассмотрим частный случай, когда текущий приоритет процесса варьируется в диапазоне от 0 (низкий приоритет) до 127 (наивысший приоритет). Процессы, выполняющиеся в режиме задачи, имеют более низкий приоритет, чем в режиме ядра. Для режима задачи приоритет меняется в диапазоне 0-65, для режима ядра — 66-95 (системный диапазон). Процессы, приоритеты которых лежат в диапазоне 96-127, являются процессами с фиксированным приоритетом, не изменяемым операционной системой, и предназначены для поддержки приложений реального времени.

Процессу, ожидающему недоступного в данный момент ресурса, система определяет значение приоритета сна, выбираемое ядром из диапазона системных приоритетов и связанное с событием, вызвавшим это состояние. Когда процесс пробуждается, ядро устанавливает значение текущего приоритета процесса равным приоритету сна. Поскольку приоритет такого процесса находится в системном диапазоне и выше, чем приоритет режима задачи, вероятность предоставления процессу вычислительных ресурсов весьма велика. Такой подход позволяет, в частности, быстро завершить системный вызов, в ходе выполнения которого могут блокироваться некоторые системные ресурсы.

После завершения системного вызова перед возвращением в режим задачи ядро восстанавливает приоритет режима задачи, сохраненный перед выполнением системного вызова. Это может привести к понижению приоритета, что, в свою очередь, вызовет переключение контекста.

Текущий приоритет процесса в режиме задачи p_priuser, как мы только что отмечали, зависит от значения относительного приоритета p_nice и степени использования вычислительных ресурсов p_cpu:

p_priuser = a x p_nice – b x p_cpu

Задача планировщика разделения времени — справедливо распределить вычислительный ресурс между конкурирующими процессами. Для принятия решения о выборе следующего запускаемого процесса планировщику необходима информация об использовании процессора. Эта составляющая приоритета уменьшается обработчиком прерываний таймера каждый тик. Таким образом, пока процесс выполняется в режиме задачи, его текущий приоритет линейно уменьшается.

Каждую секунду ядро пересчитывает текущие приоритеты процессов, готовых к запуску (приоритеты которых меньше некоторого порогового значения; в нашем примере эта величина равна 65), последовательно увеличивая их за счет последовательного уменьшения отрицательного компонента времени использования процессора. Как результат, эти действия приводят к перемещению процессов в более приоритетные очереди и повышению вероятности их последующего выполнения.

Возможно использование следующей формулы:

p_cpu - p_cpu/2

В этом правиле проявляется недостаток нивелирования приоритетов при повышении загрузки системы. Происходит это потому, что в таком случае каждый процесс получает незначительный объем вычислительных ресурсов и, следовательно, имеет малую составляющую p_cpu, которая еще более уменьшается благодаря формуле пересчета величины p_cpu. В результате загрузка процессора перестает оказывать заметное влияние на приоритет, и низкоприоритетные процессы (то есть процессы с высоким значением nice number) практически «отлучаются» от вычислительных ресурсов системы.

В некоторых версиях UNIX для пересчета значения p_cpu используется другая формула:

p_cpu = p_cpu х (2 х load)/(2 x load + 1)

Здесь параметр load равен среднему числу процессов, находившихся в очереди на выполнение за последнюю секунду, и характеризует среднюю загрузку системы за этот период времени. Этот алгоритм позволяет частично избавиться от недостатка планирования по формуле p_cpu = p_cpu/2, поскольку при значительной загрузке системы уменьшение p_cpu при пересчете будет происходить медленнее.

Описанные алгоритмы диспетчеризации позволяют учесть интересы низкоприоритетных процессов, так как в результате длительного ожидания очереди на запуск приоритет таких процессов увеличивается, соответственно повышается и вероятность их запуска. Эти алгоритмы также обеспечивают более вероятный выбор планировщиком интерактивных процессов по отношению к сугубо вычислительным (фоновым). Такие задачи, как командный интерпретатор или редактор, большую часть времени проводят в ожидании ввода, имея, таким образом, высокий приоритет (приоритет сна). При наступлении ожидаемого события (например, пользователь осуществил ввод данных) им сразу же предоставляются вычислительные ресурсы. Фоновые процессы, потребляющие значительные ресурсы процессора, имеют высокую составляющую p_cpu и, как следствие, более низкий приоритет.

Аналогичные механизмы имеют место и в таких операционных системах, как OS/2 или Windows NT/2000/XP. Правда, алгоритмы изменения приоритета задач в этих системах иные. Например, в Windows NT/2000/XP каждый поток выполнения имеет базовый уровень приоритета, который лежит в диапазоне от двух уровней ниже базового приоритета процесса, его породившего, до двух уровней выше этого приоритета, как показано на рис. 2.4. Базовый приоритет процесса определяет, сколь сильно могут различаться приоритеты потоков этого процесса и как они соотносятся с приоритетами потоков других процессов. Поток наследует этот базовый приоритет и может изменять его так, чтобы он стал немного больше или немного меньше. В результате получается приоритет планирования, с которым поток и начинает исполняться. В процессе исполнения потока его приоритет может отклоняться от базового.

Рис. 2.4. Схема динамического изменения приоритетов

в Windows NT/2000/XP

На рисунке также показан динамический приоритет потока, нижней границей которого является базовый приоритет потока, а верхняя зависит от вида работ, исполняемых потоком. Например, если поток обрабатывает текущие результаты операций ввода пользователем своих данных, диспетчер задач Windows поднимает его динамический приоритет; если же он выполняет вычисления, то диспетчер задач постепенно снижает его приоритет до базового. Снижая приоритет одной задачи и поднимая приоритет другой, подсистемы могут управлять относительной приоритетностью потоков внутри процесса.

Для определения порядка выполнения потоков диспетчер задач использует систему приоритетов, направляя на выполнение задачи с высоким приоритетом раньше задач с низким приоритетом. Система прекращает исполнение, или вытесняет (preempts), текущий поток, если становится готовым к выполнению другой поток с более высоким приоритетом.

Имеется группа очередей — по одной для каждого приоритета. В операционных системах Windows NT/2000/XP используется один и тот же диспетчер задач. Он поддерживает З2 уровня приоритета. Задачи делятся на два класса: реального времени и переменного приоритета. Задачи реального времени, имеющие приоритеты от 6 До 31, — это высокоприоритетные потоки, используемые программами, критическими по времени выполнения, то есть требующими немедленного внимания системы (по терминологии Microsoft).

Диспетчер задач просматривает очереди, начиная с самой приоритетной. При этом если очередь пустая, то есть в ней нет готовых к выполнению задач с таким приоритетом, то осуществляется переход к следующей очереди. Следовательно, если есть задачи, требующие процессор немедленно, они будут обслужены в первую очередь. Для собственно системных модулей, функционирующих в статусе задачи, зарезервирована очередь с номером 0.

Большинство задач в системе относятся к классу переменного приоритета с уровнями приоритета (номером очереди) от 1 до 15. Эти очереди используются задачами с переменным приоритетом (variable priority), так как диспетчер задач для оптимизации отклика системы корректирует их приоритеты по мере выполнения. Диспетчер приостанавливает исполнение текущей задачи, после того как та израсходует свой квант времени. При этом если прерванная задача — это поток переменного приоритета, то диспетчер задач понижает приоритет этого потока выполнения на единицу и перемещает в другую очередь. Таким образом, приоритет задачи, выполняющей много вычислений, постепенно понижается (до значения его базового приоритета). С другой стороны, диспетчер повышает приоритет задачи после ее освобождения из состояния ожидания. Обычно добавка к приоритету задачи определяется кодом исполнительной системы, находящимся вне ядра операционной системы, однако величина этой добавки зависит от типа события, которого ожидала заблокированная задача. Так, например, поток, ожидавший ввода очередного байта с клавиатуры, получает большую добавку к значению своего приоритета, чем поток ввода-вывода, работавший с дисковым накопителем. Однако в любом случае значение приоритета не может достигнуть 16.

В операционной системе OS/2 схема динамической приоритетной диспетчеризации несколько иная, хоть и похожа. В OS/2 также имеется четыре класса задач. И для каждого класса задач имеется своя группа приоритетов с интервалом значений от 0 до 31. Итого, 128 различных уровней и, соответственно, 128 возможных очередей готовых к выполнению задач (потоков).

Задачи, имеющие самые высокие значения приоритета, называются критическими по времени (time critical). В этот класс входят задачи, которые мы в обиходе называем задачами реального времени, то есть для них должен быть обязательно предоставлен определенный минимум процессорного времени. Наиболее часто встречающимися задачами этого класса являются задачи коммуникаций (например, задача управления последовательным портом, на который приходят биты по коммутируемой линии с подключенным модемом, или задачи управления сетевым оборудованием). Если такие задачи не получат управление в нужный момент времени, то сеанс связи может прерваться.

Следующий класс задач имеет название приоритетного. Поскольку к этому классу относят задачи, которые выполняют по отношению к остальным задачам функции сервера (о модели клиент-сервер, по которой строятся современные операционные системы с микроядерной архитектурой, см. главы 9 и 10), то его еще иногда называют серверным. Приоритет таких задач должен быть выше, поскольку это позволяет гарантировать, что запрос на некоторую функцию со стороны обычных задач выполнится сразу, а не будет дожидаться, пока до него дойдет очередь на фоне других пользовательских приложений.

Большинство задач относят к обычному классу, его еще называют регулярным (regular), или стандартным. По умолчанию система программирования порождает задачу, относящуюся именно к этому классу.

Наконец, существует еще класс фоновых задач, называемый в OS/2 остаточный. Программы этого класса получают процессорное время только тогда, когда нет задач из других классов, требующих процессор. В качестве примера такой задачи можно привести программу обновления индексного файла, используемого при поиске файлов, или программу проверки электронной почты.

Внутри каждого из вышеописанных классов задачи, имеющие одинаковый уровень приоритета, выполняются в соответствии с дисциплиной RR. Переход от одного потока к другому происходит либо по окончании отпущенного ему кванта времени, либо по системному прерыванию, передающему управление задаче с более высоким приоритетом (таким образом система вытесняет задачи с более низким приоритетом для выполнения задач с более высоким приоритетом и может обеспечить быструю реакцию на важные события).

OS/2 самостоятельно изменяет приоритет выполняющихся программ независимо от уровня, установленного самим приложением. Этот механизм называется повышением приоритета (priority boost). Операционная система изменяет приоритет задачи в трех случаях.

□ Повышение приоритета активной задачи (foreground boost). Приоритет задачи автоматически повышается, когда она становится активной. Это снижает время реакции активного приложения на действия пользователя по сравнению с фоновыми программами.

□ Повышение приоритета ввода-вывода (Input/Output boost). По завершении операции ввода-вывода задача получает самый высокий уровень приоритета ее класса. Таким образом обеспечивается завершение всех незаконченных операций ввода-вывода.

□ Повышение приоритета «забытой» задачи (starvation boost). Если задача не получает управление в течение достаточно долгого времени (этот промежуток времени задает оператор MAXWAIT в файле CONFIG.SYS), диспетчер задач OS/2 временно присваивает ей уровень приоритета, не превышающий критический. В результате переключение на такую «забытую» программу происходит быстрее. После выполнения приложения в течение одного кванта времени его приоритет вновь снижается до остаточного. В сильно загруженных системах этот механизм позволяет программам с остаточным приоритетом работать хотя бы в краткие интервалы времени. В противном случае они вообще никогда бы не получили управление. Если нет необходимости использовать метод динамического изменения приоритета, то с помощью оператора PRIOPITY = ABSOLUTE в файле CONFIG.SYS можно ввести дисциплину абсолютных приоритетов; по умолчанию оператор PRIOPITY имеет значение DYNAMIC.

Контрольные вопросы и задачи

1. Перечислите и поясните основные функции операционных систем, которые связаны с управлением задачами.

2. В чем заключается основное различие между планированием процессов и диспетчеризацией задач?

3. Что такое стратегия обслуживания? Перечислите известные вам стратегии обслуживания.

4. Какие дисциплины диспетчеризации задач вы знаете? Поясните их основные идеи, перечислите достоинства и недостатки.

5. Расскажите, какие дисциплины диспетчеризации следует отнести к вытесняющим, а какие — к не вытесняющим.

6. Как можно реализовать механизм разделения времени, если диспетчер задач работает только по принципу предоставления процессорного времени задаче с максимальным приоритетом?

7. Что такое «гарантия обслуживания»? Как ее можно реализовать?

8. Опишите механизм динамической диспетчеризации, реализованный в UNIX-системах.

9. Сравните механизмы диспетчеризации задач в операционных системах Windows NT и OS/2. В чем они похожи друг на друга и в чем заключаются основные различия?

Глава 3. Управление памятью в операционных системах

Оперативная память — это важнейший ресурс любой вычислительной системы, поскольку без нее (как, впрочем, и без центрального процессора) невозможно выполнение ни одной программы. В главе 1 мы уже отмечали, что память является разделяемым ресурсом. От выбранных механизмов распределения памяти между выполняющимися процессорами в значительной степени зависит эффективность использования ресурсов системы, ее производительность, а также возможности, которыми могут пользоваться программисты при создании своих программ. Желательно так распределять память, чтобы выполняющаяся задача имела возможность обратиться по любому адресу в пределах адресного пространства той программы, в которой идут вычисления. С другой стороны, поскольку любой процесс имеет потребности в операциях ввода-вывода, и процессор достаточно часто переключается с одной задачи на другую, желательно в оперативной памяти расположить достаточное количество активных задач с тем, чтобы процессор не останавливал вычисления из-за отсутствия очередной команды или операнда. Некоторые ресурсы, которые относятся к неразделяемым, из-за невозможности их совместного использования делают виртуальными. Таким образом, чтобы иметь возможность выполняться, каждый процесс может получить некий виртуальный ресурс. Виртуализация ресурсов делается программным способом средствами операционной системы, а значит, для них тоже нужно иметь ресурс памяти. Поэтому вопросы организации разделения памяти для выполняющихся процессов и потоков являются очень актуальными, ибо выбранные и реализованные алгоритмы решения этих вопросов в значительной степени определяют и потенциальные возможности системы, и общую ее производительность, и эффективность использования имеющихся ресурсов.

Память и отображения, виртуальное адресное пространство

Если не принимать во внимание программирование на машинном языке (эта технология практически не используется уже очень давно), то можно сказать что программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логических имен, которые чаще всего являются символьными, а не числовыми, и для которого отсутствует отношение порядка. Другими словами, в общем случае множество переменных в программе не упорядочено, хотя отдельные переменные могут иметь частичную упорядоченность (например, элементы массива). Имена переменных и входных точек программных модулей составляют пространство символьных имен. Иногда это адресное пространство называют логическим.

С другой стороны, при выполнении программы мы имеем дело с физической оперативной памятью, собственно с которой и работает процессор, извлекая из нее команды и данные и помещая в нее результаты вычислений. Физическая память представляет собой упорядоченное множество ячеек реально существующей оперативной памяти, и все они пронумерованы, то есть к каждой из них можно обратиться, указав ее порядковый номер (адрес). Количество ячеек физической памяти ограниченно и фиксированно.

Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользователем символьное имя с физической ячейкой памяти, то есть осуществить отображение пространства имен на физическую память компьютера. В общем случае это отображение осуществляется в два этапа (рис. 3.1): сначала системой программирования, а затем операционной системой. Это второе отображение осуществляется с помощью соответствующих аппаратных средств процессора — подсистемы управления памятью, которая использует дополнительную информацию, подготавливаемую и обрабатываемую операционной системой. Между этими этапами обращения к памяти имеют форму виртуального адреса. При этом можно сказать, что множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет ее виртуальное адресное пространство или виртуальную память. Виртуальное адресное пространство программы зависит, прежде всего, от архитектуры процессора и от системы программирования и практически не зависит от объема реальной физической памяти компьютера. Можно еще сказать, что адреса команд и переменных в машинной программе, подготовленной к выполнению системой программирования, как раз и являются виртуальными адресами.

Как мы знаем, система программирования осуществляет трансляцию и компоновку программы, используя библиотечные программные модули. В результате работы системы программирования полученные виртуальные адреса могут иметь как двоичную форму, так и символьно-двоичную. Это означает, что некоторые программные модули (их, как правило, большинство) и их переменные получают какие-то числовые значения, а те модули, адреса для которых пока не могут быть определены, имеют по-прежнему символьную форму, и их окончательная привязка к физическим ячейкам будет осуществлена на этапе загрузки программы в память перед ее непосредственным выполнением.

Рис. 3.1. Память и отображения

Одним из частных случаев отображения пространства символьных имен на физическую память является полная тождественность виртуального адресного пространства физической памяти. При этом нет необходимости осуществлять второе отображение. В таком случае говорят, что система программирования генерирует абсолютную двоичную программу; в этой программе все двоичные адреса таковы, что программа может исполняться только тогда, когда ее виртуальные адреса будут точно соответствовать физическим. Часть программных модулей любой операционной системы обязательно должна быть абсолютными двоичными программами. Эти программы размещаются но фиксированным адресам физической памяти, и с их помощью уже можно впоследствии реализовывать размещение остальных программ, подготовленных системой программирования таким образом, что они могут работать на различных физических адресах (то есть на тех адресах, на которые их разместит операционная система). В качестве примера таких программ можно назвать программы загрузки операционной системы.

Другим частным случаем этой общей схемы трансляции адресного пространства является тождественность виртуального адресного пространства исходному логическому пространству имен. Здесь уже отображение выполняется самой операционной системой, которая во время исполнения использует таблицу символьных имен. Такая схема отображения используется чрезвычайно редко, так как отображение имен на адреса необходимо выполнять для каждого вхождения имени (каждого нового имени), и особенно много времени тратится на квалификацию имен. Данную схему можно было встретить в интерпретаторах, в которых стадии трансляции и исполнения практически неразличимы. Это характерно для простейших компьютерных систем, в которых вместо операционной системы использовался встроенный интерпретатор (например, Basic). Возможны и промежуточные варианты. В простейшем случае транслятор-компилятор генерирует относительные адреса, которые, по сути, являются виртуальными адресами, с последующей настройкой программы на один из непрерывных разделов. Второе отображение осуществляется перемещающим загрузчиком. После загрузки программы виртуальный адрес теряется, и доступ выполняется непосредственно к физическим ячейкам. Более эффективное решение достигается в том случае, когда транслятор вырабатывает в качестве виртуального адреса относительный адрес и информацию о начальном адресе, а процессор, используя подготавливаемую операционной системой адресную информацию, выполняет второе отображение не один раз (при загрузке программы), а при каждом обращении к памяти. Термин виртуальная память фактически относится к системам, которые сохраняют виртуальные адреса во время исполнения. Так как второе отображение осуществляется в процессе исполнения задачи, то адреса физических ячеек могут изменяться. При правильном применении такие изменения улучшают использование памяти, избавляя программиста от деталей управления ею, и даже повышают надежность вычислений.

Если рассматривать общую схему двухэтапного отображения адресов, то с позиции соотношения объемов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех ситуаций:

□ объем виртуального адресного пространства программы V, меньше объема физической памяти V_p (V_v < V_p);

□ объем виртуального адресного пространства программы V_v равен объему физической памяти V_p (V_v = V_p);

□ объем виртуального адресного пространства программы V_v больше

объема физической памяти V_p (V_v > V_p).

Первая ситуация (V_v< V_p) ныне практически не встречается, но, тем не менее, это реальное соотношение. Скажем, не так давно 16-разрядные мини-ЭВМ имели систему команд, в которых пользователи-программисты могли адресовать до 2¹⁶ = 64 Кбайт адресов (обычно в качестве адресуемой единицы выступала ячейка памяти размером с байт). А физически старшие модели этих мини-ЭВМ могли иметь объем оперативной памяти в несколько мегабайтов. Обращение к памяти столь большого объема осуществлялось с помощью специальных регистров, содержимое которых складывалось с адресом операнда (или команды), извлекаемым из поля операнда или указателя команды (и/или определяемым по значению поля операнда или указателя команды). Соответствующие значения в эти специальные регистры, выступающие как базовое смещение в памяти, заносила операционная система. Для одной задачи в регистр заносилось одно значение, а для второй (третьей, четвертой и т. д.) задачи, размещаемой одновременно с первой, но в другой области памяти, заносилось, соответственно, другое значение. Вся физическая память таким образом разбивалась на разделы объемом по 64 Кбайт, и на каждый такой раздел осуществлялось отображение своего виртуального адресного пространства. Вторая ситуация (V_v - V_p) встречается очень часто, особенно характерна она была для недорогих вычислительных комплексов. Для этого случая имеется большое количество методов распределения оперативной памяти.

Наконец, в наше время мы уже достигли того, что ситуация превышения объема виртуального адресного пространства программы над объемом физической памяти (V_v>V_p) характерна даже для персональных компьютеров, то есть для самых распространенных и недорогих машин. Теперь это самая обычная ситуация, и для нее имеется несколько методов распределения памяти, отличающихся как сложностью, так и эффективностью.

Простое непрерывное распределение и распределение с перекрытием

Общие принципы управления памятью

в однопрограммных операционных системах

Простое непрерывное распределение — это самая простая схема, согласно которой вся память условно может быть разделена на три области:

□ область, занимаемая операционной системой;

□ область, в которой размещается исполняемая задача; □ незанятая ничем (свободная) область памяти.

Изначально являясь самой первой схемой, схема простого непрерывного распределения памяти продолжает и сегодня быть достаточно распространенной. Эта схема предполагает, что операционная система не поддерживает мультипрограммирование, поэтому не возникает проблемы распределения памяти между несколькими задачами. Программные модули, необходимые для всех программ, располагаются в области самой операционной системы, а вся оставшаяся память может быть предоставлена задаче. Эта область памяти получается непрерывной, что облегчает работу системы программирования. Поскольку в различных однотипных вычислительных комплексах может быть разный состав внешних устройств (и, соответственно, они содержат различное количество драйверов), для системных нужд могут быть отведены отличающиеся объемы оперативной памяти, и получается, что можно не привязывать жестко виртуальные адреса программы к физическому адресному пространству. Эта привязка осуществляется на этапе загрузки задачи в память. Для того чтобы для задач отвести как можно больший объем памяти, операционная система строится таким образом, чтобы постоянно в оперативной памяти располагалась только самая нужная ее часть. Эту часть операционной системы стали называть ядром. Прежде всего, в ядро операционной системы входят основные модули супервизора. Для однопрограммных систем понятие супервизора вырождается в модули, получающие и выполняющие первичную обработку запросов от обрабатывающих и прикладных программ, и в модули подсистемы памяти. Ведь если программа по ходу своего выполнения запрашивает некоторое множество ячеек памяти, то подсистема памяти должна их выделить (если они есть), а после освобождения этой памяти подсистема памяти должна выполнить действия, связанные с возвратом памяти в систему. Остальные модули операционной системы, не относящиеся к ее ядру, могут быть обычными диск-резидентными (или транзитными), то есть загружаться в оперативную память только по необходимости, и после своего выполнения вновь освобождать память.

Такая схема распределения влечет за собой два вида потерь вычислительных ресурсов — потеря процессорного времени, потому что процессор простаивает, пока задача ожидает завершения операций ввода-вывода, и потеря самой оперативной памяти, потому что далеко не каждая программа использует всю память, а режим работы в этом случае однопрограммный. Однако это очень недорогая реализация, которая позволяет отказаться от многих функций операционной системы. В частности, такая сложная проблема, как защита памяти, здесь почти не стоит. Единственное, что желательно защищать — это программные модули и области памяти самой операционной системы.

Если есть необходимость создать программу, логическое адресное пространство которой должно быть больше, чем свободная область памяти, или даже больше, чем весь возможный объем оперативной памяти, то используется распределение с перекрытием — так называемые оверлейные структуры (от overlay — перекрытие, расположение поверх чего-то). Этот метод распределения предполагает, что вся программа может быть разбита на части — сегменты. Каждая оверлейная программа имеет одну главную (main) часть и несколько сегментов (segments), причем в памяти машины одновременно могут находиться только ее главная часть и один или несколько не перекрывающихся сегментов.

Пока в оперативной памяти располагаются выполняющиеся сегменты, остальные находятся во внешней памяти. После того как текущий (выполняющийся) сегмент завершит свое выполнение, возможны два варианта: либо он сам (если данный сегмент не нужно сохранить во внешней памяти в его текущем состоянии) обращается к операционной системе с указанием, какой сегмент должен быть загружен в память следующим; либо он возвращает управление главному сегменту задачи, и уже тот обращается к операционной системе с указанием, какой сегмент сохранить (если это нужно), а какой сегмент загрузить в оперативную память, и вновь отдает управление одному из сегментов, располагающихся в памяти. Простейшие схемы сегментирования предполагают, что в памяти в каждый конкретный момент времени может располагаться только один сегмент (вместе с главным модулем). Более сложные схемы, используемые в больших вычислительных системах, позволяют располагать в памяти несколько сегментов. В некоторых вычислительных комплексах могли существовать отдельно сегменты кода и сегменты данных. Сегменты кода, как правило, не претерпевают изменений в процессе своего исполнения, поэтому при загрузке нового сегмента кода на место отработавшего последний можно не сохранять во внешней памяти, в отличие от сегментов данных, которые сохранять необходимо.

Первоначально программисты сами должны были включать в тексты своих программ соответствующие обращения к операционной системе (их называют системными вызовами) и тщательно планировать, какие сегменты могут находиться в оперативной памяти одновременно, чтобы их адресные пространства не пересекались. Однако с некоторых пор такого рода обращения к операционной системе системы программирования стали подставлять в код программы сами, автоматически, если в том возникает необходимость. Так, в известной и популярной в недалеком прошлом системе программирования Turbo Pascal программист просто указывал, что данный модуль является оверлейным. И при обращении к нему из основной программы модуль загружался в память и получал управление. Все адреса определялись системой программирования автоматически, обращения к DOS для загрузки оверлеев тоже генерировались системой Turbo Pascal.

Распределение оперативной памяти в MS DOS

Как известно, MS DOS — это однопрограммная операционная система для персонального компьютера типа IBM PC. В ней, конечно, можно организовать запуск резидентных, или TSR-задач, в результате которого в памяти будет находиться не одна программа, но в целом система MS DOS предназначена для выполнения только одного вычислительного процесса. Поэтому распределение памяти в ней построено по схеме простого непрерывного распределения. Система поддерживает механизм распределения памяти с перекрытием (оверлейные структуры). Как известно, в IBM PC использовался 16-разрядный микропроцессор i8088, который за счет введения сегментного способа адресации позволял указывать адрес ячейки памяти в пространстве объемом до 1 Мбайт. В последующих персональных компьютерах (IBM PC AT, AT386 и др.) было принято решение поддерживать совместимость с первыми, полому при работе в DOS прежде всего рассматривают первый мегабайт. Вся эта память разделялась на несколько областей, что иллюстрирует рис. 3.2. На этом рисунке показано, что памяти может быть и больше, чем 1 Мбайт, но более подробное рассмотрение этого вопроса мы здесь опустим, отослав желающих изучить данную тему глубже к монографии.

Если не вдаваться в детали, можно сказать, что в состав MS DOS входят следующие основные компоненты.

□ Подсистема BIOS (Base Input-Output System — базовая подсистема ввода-вывода), включающая в себя помимо программы POST (Power On Self Test —самотестирование при включении компьютера) программные модули обработки прерываний, с помощью которых можно управлять основными контроллерами на материнской плате компьютера и устройствами ввода-вывода. Эти модули часто называют обработчиками прерываний. По своей функциональной сути они представляют собой драйверы. BIOS располагается в постоянном запоминающем устройстве компьютера. В конечном итоге почти все остальные модули MS DOS обращаются к BIOS. Если и не напрямую, то через модули более высокого уровня иерархии.

□ Модуль расширения BIOS — файл I0.SYS (в других DOS-системах он может называться иначе, например _BIO.COM).

□ Основной, или базовый, модуль обработки прерываний DOS — файл MSDOS.SYS.
Именно этот модуль в основном реализует работу с файловой системой.

□ Командный процессор (интерпретатор команд) — файл COMMAND.COM.

□ Утилиты и драйверы, расширяющие возможности системы.

□ Программа загрузки MS DOS — загрузочная запись (Boot Record, BR), расположенная на дискете или на жестком диске (подробнее о загрузочной записи и о других загрузчиках см. главу 6).

Вся память в соответствии с архитектурой IBM PC условно может быть разбита на следующие три части.

□ В самых младших адресах памяти (первые 1024 ячейки) размещается таблица векторов прерывания (см. раздел «Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i80x86» в главе 4). Это связано с аппаратной реализацией процессора i8088. В последующих процессорах (начиная с i80286) адрес таблицы прерываний определяется через содержимое соответствующего регистра, но для обеспечения полной совместимости с первым процессором при включении или аппаратном сбросе в этот регистр заносятся нули. При желании, однако, в случае использования современных микропроцессоров i80x86 вектора прерываний можно размещать и в других областях.

0000-003FF 1 Кбайт	Таблица векторов прерываний
00400-005FF 512 байт	Глобальные переменные BIOS; глобальные переменные DOS	В ранних версиях здесь располагались глобальные переменные интерпретатора Бейсик
00600-0А000 35-60Кбайт	Модуль IO. SYS; Модуль MSDOS. SYS: - обслуживающие функции; - буферы, рабочие и управляющие области; - устанавливаемые драйверы; Резидентная часть COMMAND. COM: - обработка программных прерываний; - системная программа загрузки; - программа загрузки транзитной части COMMAND. COM	Размер этой области зависит от версии MSDOS и, главное, от конфигурационного файла CONFIG. SYS
580Кбайт	Область памяти для выполнения программ пользователя и утилит MS DOS. В эту область попадают программы типа *.СОМ и *.ЕХЕ	Объем этой области очень зависит от объема, занимаемого ядром ОС. Программа может перекрывать транзитную область COMMAND. COM
	Область расположения стека исполняющейся программы	Стек «растет» снизу вверх
18 Кбайт	Транзитная часть командного процессора COMMAND. COM	Собственно командный интерпретатор
А0000-С7FFF 160 Кбайт	Видеопамять. Область и размер используемого видеобуфера зависят от текущего режима	При работе в текстовом режиме область памяти A0000-B0000 свободна и может быть использована в программе
С8000-Е0000 96 Кбайт	Зарезервировано для расширения BIOS
F0000-FFFF 64Кбайт	Область ROM BIOS (System BIOS)	Обычно объем этой области равен 32 Кбайт, но может достигать и 128 Кбайт, занимая младшие адреса
Более 100000	High Memory Area. При наличии драйвера HIMEM. SYS здесь можно расположить основные MS DOS, освобождая тем самым область основной памяти в первом мегабайте системные файлы	Может использоваться при наличии специальных драйверов. Используются спецификации XMS и EMS

Рис. 3.2. Распределение оперативной памяти в MS DOS

□ Вторая часть памяти отводится для программных модулей самой системы MS DOSЬ и для программ пользователя. Эту область памяти мы рассмотрим чуть позже, здесь только заметим, что она называется основной, или стандартной, памятью (conventional memory).

□ Наконец, третья часть адресного пространства отведена для постоянных запоминающих устройств и функционирования некоторых устройств ввода-вывода. Эта область памяти получила название UMA (Upper Memory Area — область памяти, адрес которой выше основной).

В младших адресах основной памяти размещается то, что можно условно назвать ядром этой операционной системы — системные переменные, основные программные модули, блоки данных для буферизации операций ввода-вывода. Для управления устройствами, драйверы которых не входят в базовую подсистему ввода-вывода, загружаются так называемые загружаемые, или устанавливаемые, драйверы. Перечень устанавливаемых драйверов определяется специальным конфигурационным файлом CONFIG.SYS. После загрузки расширения BIOS — файла IO.SYS — последний (загрузив модуль MSDOS.SYS) считывает файл CONFIG.SYS и уже в соответствии с ним подгружает в память необходимые драйверы. Кстати, в конфигурационном файле CONFIG.SYS могут иметься операторы, указывающие на количество буферов, отводимых для ускорения операций ввода-вывода, и на количество файлов, которые могут обрабатываться (для работы с файлами необходимо зарезервировать место в памяти для хранения управляющих структур, с помощью которых выполняются операции с записями файла). В случае использования микропроцессоров i80x86 и наличия в памяти драйвера HIMEM.SYS модули I0.SYS и MSDOS.SYS могут быть размещены за пределами первого мегабайта в области, которая получила название HMA (High Memory Area — область памяти с большими адресами).

Память с адресами, большими чем 10FFFFh, может быть использована в DOS-программах при выполнении их на микропроцессорах, имеющих такую возможность (например, микропроцессор i80286 имел 24-разрядную шину адреса, а i80386 — уже 32-разрядную). Но для этого с помощью специальных драйверов необходимо переключать процессор в другой режим работы, при котором он сможет использовать адреса выше 10FFFFh. Широкое распространение получили две основные спецификации: XMS (Extended Memory Specification) и EMS (Expanded Memory Specification). Последние годы система MS DOS практически перестала применяться. Теперь ее используют в основном для запуска некоторых утилит, с помощью которых подготавливают дисковые устройства, или для установки других операционных систем. И поскольку основным утилитам, необходимым для обслуживания персонального компьютера, спецификации EMS и XMS, как правило, не нужны, мы не будем здесь их рассматривать.

Остальные программные модули MS DOS (в принципе, большинство из них является утилитами) оформлены как обычные исполняемые файлы. Например, утилита форматирования диска представляет собой и двоичный исполняемый файл, и команду операционной системы. В основном такого рода утилиты являются транзитными модулями, то есть загружаются в память только на время своей работы, хотя среди них имеются и TSR-программы.

Для того чтобы предоставить больше памяти программам пользователя, в MS DOS применено то же решение, что и во многих других простейших операционных системах, — командный процессор COMMAND.COM состоит из двух частей. Первая часть является резидентной и размещается в области ядра, вторая часть транзитная и размещается в области старших адресов раздела памяти, выделяемой для программ пользователя. И если программа пользователя перекрывает собой область, в которой была расположена транзитная часть командного процессора, то последний при необходимости восстанавливает в памяти свою транзитную часть, поскольку после выполнения программы она возвращает управление резидентной части COMMAND.COM.

Поскольку размер основной памяти относительно небольшой, то очень часто системы программирования реализуют оверлейные структуры. Для этого в MS DOS поддерживаются специальные вызовы.

Распределение памяти статическими и

динамическими разделами

Для организации мультипрограммного и/или мультизадачного режима необходимо обеспечить одновременное расположение в оперативной памяти нескольких задач (целиком или частями). Память задаче может выделяться одним сплошным участком (в этом случае говорят о методах неразрывного распределения памяти) или несколькими порциями, которые могут быть размещены в разных областях памяти (тогда говорят о методах разрывного распределения).

Начнем с методов неразрывного распределения памяти. Самая простая схема распределения памяти между несколькими задачами предполагает, что память, не занятая ядром операционной системы, может быть разбита на несколько непрерывных частей — разделов (partitions, regions). Разделы характеризуются именем, типом, границами (как правило, указываются начало раздела и его длина).

Разбиение памяти на несколько непрерывных (неразрывных) разделов может быть фиксированным (статическим) либо динамическим (то есть процесс выделения нового раздела памяти происходит непосредственно при появлении новой задачи). Вначале мы кратко рассмотрим статическое распределение памяти на разделы.

Разделы с фиксированными границами

Разбиение всего объема оперативной памяти на несколько разделов может осуществляться единовременно (то есть в процессе генерации варианта операционной системы, который потом и эксплуатируется) или по мере необходимости оператором системы. Однако и во втором случае при разбиении памяти на разделы вычислительная система более ни для каких целей в этот момент не используется. Пример разбиения памяти на несколько разделов приведен на рис. 3.3.

В каждом разделе в каждый момент времени может располагаться по одной пройме (задаче). В этом случае по отношению к каждому разделу можно применить все те методы создания программ, которые используются для однопрограммных с ем. Возможно использование оверлейных структур, что позволяет создавать большие сложные программы и в то же время поддерживать коэффициент мультипрограммирования на должном уровне. Первые мультипрограммные операционные системы строились по этой схеме. Использовалась эта схема и много лет спустя при создании недорогих вычислительных систем, поскольку является несложной и обеспечивает возможность параллельного выполнения программ. Иногда в некотором разделе размещалось по нескольку небольших программ, которые постоянно в нем и находились. Такие программы назывались ОЗУ-резидентными (или просто резидентными). Та же схема используется и в современных встроенных системах; правда для них характерно, что все программы являются резидентными, и внешняя память во время работы вычислительного оборудования не используется.

Рис. 3.3. Распределение памяти разделами с фиксированными границами

При небольшом объеме памяти и, следовательно, небольшом количестве разделов увеличить число параллельно выполняемых приложений (особенно когда эти приложения интерактивны и во время своей работы фактически не используют процессорное время, а в основном ожидают операций ввода-вывода) можно за счет замены их в памяти, или свопинга (swapping). При свопинге задача может быть целиком выгружена на магнитный диск (перемещена во внешнюю память), а на ее место загружается либо более привилегированная, либо просто готовая к выполнению другая задача, находившаяся на диске в приостановленном состоянии. При свопинге из основной памяти во внешнюю (обратно) перемещается вся программа, а не ее отдельная часть.

Серьезная проблема, которая возникает при организации мультипрограммного режима работы вычислительной системы, — защита как самой операционной системы от ошибок и преднамеренного вмешательства процессов в ее работу, гак и самих процессов друг от друга.

В самом деле, программа может обращаться к любым ячейкам в пределах своего виртуального адресного пространства. Если система отображения памяти не содержит ошибок, и в самой программе их тоже нет, то возникать ошибок при выполнении программы не должно. Однако в случае ошибок адресации, что случается не так уж и редко, исполняющаяся программа может начать «обработку» чужих данных или кодов с непредсказуемыми последствиями. Одной из простейших, но достаточно эффективных мер является введение регистров защиты памяти. В эти регистры операционная система заносит граничные значения области памяти раздела текущего исполняющегося процесса. При нарушении адресации возникает прерывание, и управление передается супервизору операционной системы. Обращения задач к операционной системе за необходимыми сервисами осуществляются не напрямую, а через команды программных прерываний, что обеспечивает передачу управления только в предопределенные входные точки кода операционной системы и в системном режиме работы процессора, при котором регистры защиты памяти игнорируются. Таким образом, выполнение функции защиты требует введения специальных аппаратных механизмов, используемых операционной системой. Основным недостатком рассматриваемого способа распределения памяти является наличие порой достаточно большого объема неиспользуемой памяти (см. рис. 3.3). Неиспользуемая память может быть в каждом из разделов. Поскольку разделов несколько, то и неиспользуемых областей получается несколько, поэтому такие потери стали называть фрагментацией памяти. В отдельных разделах потери памяти могут быть очень значительными, однако использовать фрагменты свободной памяти при таком способе распределения не представляется возможным. Желание разработчиков сократить столь значительные потери привело их к следующим двум решениям:

· выделять раздел ровно такого объема, который нужен под текущую задачу;

· размещать задачу не в одной непрерывной области памяти, а в нескольких областях.

Второе решение было реализовано в нескольких способах организации виртуальной памяти. Мы их обсудим в следующем разделе, а сейчас кратко рассмотрим первое решение.

Разделы с подвижными границами

Чтобы избавиться от фрагментации, можно попробовать размещать в оперативной памяти задачи плотно, одну за другой, выделяя ровно столько памяти, сколько задача требует. Одной из первых операционных систем, в которой был реализован такой способ распределения памяти, была OS MVT (Multiprogramming with a Variable number of Tasks — мультипрограммирование с переменным числом задач). В этой операционной системе специальный планировщик (диспетчер памяти) ведет список адресов свободной оперативной памяти. При появлении новой задачи диспетчер памяти просматривает этот список и выделяет для задачи раздел, объем которой либо равен необходимому, либо чуть больше, если память выделяется не ячейками, а некими дискретными единицами. При этом модифицируется список свободных областей памяти. При освобождении раздела диспетчер памяти пытается объединить освобождающийся раздел с одним из свободных участков, если таковой является смежным.

При этом список свободных участков памяти может быть упорядочен либо по адресам, либо по объему. Выделение памяти под новый раздел может осуществляться одним из трех основных способов:

· первый подходящий участок;

· самый подходящий участок;

· самый неподходящий участок.

В первом случае список свободных областей упорядочивается по адресам (например, по возрастанию адресов). Диспетчер просматривает список и выделяет задаче раздел в той области, которая первой подойдет по объему. В этом случае, если такой фрагмент имеется, то в среднем необходимо просмотреть половину списка. При освобождении раздела также необходимо просмотреть половину списка. Правило «первый подходящий» приводит к тому, что память для небольших задач преимущественно будет выделяться в области младших адресов, и, следовательно, это увеличит вероятность того, что в области старших адресов будут образовываться фрагменты достаточно большого объема.

Способ «самый подходящий» предполагает, что список свободных областей упорядочен но возрастанию объема фрагментов. В этом случае при просмотре списка для нового раздела будет использован фрагмент свободной памяти, объем которой наиболее точно соответствует требуемому. Требуемый раздел будет определяться по-прежнему в результате просмотра в среднем половины списка. Однако оставшийся фрагмент оказывается настолько малым, что в нем уже вряд ли удастся разместить еще какой-либо раздел. При этом получается, что вновь образованный фрагмент попадет в начало списка, и в последующем его придется каждый раз проверять на пригодность, тогда как его малый размер вряд ли окажется подходящим. Поэтому в целом такую дисциплину нельзя назвать эффективной.

Как ни странно, самым эффективным способом, как правило, является последний, по которому для нового раздела выделяется «самый неподходящий» фрагмент свободной памяти. Для этой дисциплины список свободных областей упорядочивается по убыванию объема свободного фрагмента. Очевидно, что если есть такой фрагмент памяти, то он сразу же и будет найден, и, поскольку этот фрагмент является самым большим, то, скорее всего, после выделения из него раздела памяти для задачи оставшуюся область памяти можно будет использовать в дальнейшем. Однако очевидно, что при любой дисциплине обслуживания, по которой работает диспетчер памяти, из-за того что задачи появляются и завершаются в произвольные моменты времени и при этом имеют разные объемы, в памяти всегда будет наблюдаться сильная фрагментация. При этом возможны ситуации, когда из-за сильной фрагментации памяти диспетчер задач не сможет образовать новый раздел, хотя суммарный объем свободных областей будет больше, чем необходимо для задачи. В этой ситуации можно организовать так называемое уплотнение памяти. Для уплотнения памяти все вычисления приостанавливаются, и диспетчер памяти корректирует свои списки, перемещая разделы в начало памяти (или, наоборот, в область старших адресов). При определении физических адресов задачи будут участвовать новые значения базовых регистров, с помощью которых и осуществляется преобразование виртуальных адресов в физические. Недостатком этого решения является потеря времени на уплотнение и, что самое главное, невозможность при этом выполнять сами вычислительные процессы.

Данный способ распределения памяти, тем не менее, применялся достаточно длительное время в нескольких операционных системах, поскольку в нем для задач выделяется непрерывное адресное пространство, а это упрощает создание систем программирования и их работу. Применяется этот способ и ныне при создании систем на базе контроллеров с упрощенной (по отношению к мощным современным процессорам) архитектурой. Например, при разработке операционной системы для современных цифровых АТС, которая использует 16-разрядные микропроцессоры Intel.

Сегментная, страничная

и сегментно-страничная организация памяти

Методы распределения памяти, при которых задаче уже может не предоставляться сплошная (непрерывная) область памяти, называют разрывными. Идея выделять память задаче не одной сплошной областью, а фрагментами позволяет уменьшить фрагментацию памяти, однако этот подход требует для своей реализации больше ресурсов, он намного сложнее. Если задать адрес начала текущего фрагмента программы и величину смещения относительно этого начального адреса, то можно указать необходимую нам переменную или команду. Таким образом, виртуальный адрес можно представить состоящим из двух полей. Первое поле будет указывать на ту часть программы, к которой обращается процессор, для определения местоположения этой части в памяти, а второе поле виртуального адреса позволит найти нужную нам ячейку относительно найденного адреса. Программист может либо самостоятельно разбивать программу на фрагменты, либо можно автоматизировать эту задачу, возложив ее на систему программирования

Сегментный способ организации виртуальной памяти

Первым среди разрывных методов распределения памяти был сегментный. Для этого метода программу необходимо разбивать на части и уже каждой такой части выделять физическую память. Естественным способом разбиения программы на части является разбиение ее на логические элементы — так называемые сегменты. В принципе, каждый программный модуль (или их совокупность, если мы того пожелаем) может быть воспринят как отдельный сегмент, и вся программа тогда будет представлять собой множество сегментов. Каждый сегмент размещается в памяти как до определенной степени самостоятельная единица. Логически обращение к элементам программы в этом случае будет состоять из имени сегмента и смещения относительно начала этого сегмента. Физически имя (или порядковый номер) сегмента будет соответствовать некоторому адресу, с которого этот сегмент начинается при его размещении в памяти, и смещение должно прибавляться к этому базовому адресу.

Преобразование имени сегмента в его порядковый номер осуществит система программирования. Для каждого сегмента система программирования указывает его объем. Он должен быть известен операционной системе, чтобы она могла выделять ему необходимый объем памяти. Операционная система будет размещать сегменты в памяти и для каждого сегмента она должна вести учет о местонахождении этого сегмента. Вся информация о текущем размещении сегментов задачи в памяти обычно сводится в таблицу сегментов, чаще такую таблицу называют таблицей дескрипторов сегментов задачи. Каждая задача имеет свою таблицу сегментов. Достаточно часто эти таблицы называют таблицами дескрипторов сегментов, поскольку по своей сути элемент таблицы описывает расположение сегмента.

Таким образом, виртуальный адрес для этого способа будет состоять из двух полей — номера сегмента и смещения относительно начала сегмента. Соответствующая иллюстрация приведена на рис. 3.4 для случая обращения к ячейке, виртуальный адрес которой равен сегменту с номером 11 со смещением от начала этого сегмента, равным 612. Как мы видим, операционная система разместила данный сегмент в памяти, начиная с ячейки с номером 19700.

Итак, каждый сегмент, размещаемый в памяти, имеет соответствующую информационную структуру, часто называемую дескриптором сегмента. Именно операционная система строит для каждого исполняемого процесса соответствующую таблицу дескрипторов сегментов, и при размещении каждого из сегментов в оперативной или внешней памяти отмечает в дескрипторе текущее местоположение сегмента. Если сегмент задачи в данный момент находится в оперативной памяти, то об этом делается пометка в дескрипторе. Как правило, для этого используется бит присутствия Р (от слова «present»). В этом случае в поле адреса диспетчер памяти записывает адрес физической памяти, с которого сегмент начинается, а в поле длины сегмента (limit) указывается количество адресуемых ячеек памяти. Это поле используется не только для того, чтобы размещать сегменты без наложения друг на друга, но и для того, чтобы контролировать, не обращается ли код исполняющейся задачи за пределы текущего сегмента. В случае превышения длины сегмента вследствие ошибок программирования мы можем говорить о нарушении адресации и с помощью введения специальных аппаратных средств генерировать сигналы прерывания, которые позволят фиксировать (обнаруживать) такого рода ошибки.

Рис. 3.4. Сегментный способ организации виртуальной памяти

Если бит присутствия в дескрипторе указывает, что сегмент находится не в оперативной, а во внешней памяти (например, на жестком диске), то названные поля адреса и длины используются для указания адреса сегмента в координатах внешней памяти. Помимо информации о местоположении сегмента, в дескрипторе сегмента, как правило, содержатся данные о его типе (сегмент кода или сегмент данных), правах доступа к этому сегменту (можно или нельзя его модифицировать, предоставлять другой задаче), отметка об обращениях к данному сегменту (информация о том, как часто или как давно этот сегмент используется или не используется, на основании которой можно принять решение о том, чтобы предоставить место, занимаемое текущим сегментом, другому сегменту).

При передаче управления следующей задаче операционная система должна занести в соответствующий регистр адрес таблицы дескрипторов сегментов этой задачи. Сама таблица дескрипторов сегментов, в свою очередь, также представляет собой сегмент данных, который обрабатывается диспетчером памяти операционной системы.

При таком подходе появляется возможность размещать в оперативной памяти не все сегменты задачи, а только задействованные в данный момент. Благодаря этому, с одной стороны, общий объем виртуального адресного пространства задачи может превосходить объем физической памяти компьютера, на котором эта задача будет выполняться; с другой стороны, даже если потребности в памяти не превосходят имеющуюся физическую память, можно размещать в памяти больше задач, поскольку любой задаче, как правило, все ее сегменты единовременно не нужны. А увеличение коэффициента мультипрограммирования μ, как мы знаем, позволяет увеличить загрузку системы и более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы. Очевидно, однако, что увеличивать количество задач можно только до определенного предела, ибо если в памяти не будет хватать места для часто используемых сегментов, то производительность системы резко упадет. Ведь сегмент, находящийся вне оперативной памяти, для участия в вычислениях должен быть перемещен в оперативную память. При этом если в памяти есть свободное пространство, то необходимо всего лишь найти нужный сегмент во внешней памяти и загрузить его в оперативную память. А если свободного места нет, придется принять решение — на место какого из присутствующих сегментов будет загружаться требуемый. Перемещение сегментов из оперативной памяти на жесткий диск и обратно часто называют свопингом сегментов.

Итак, если требуемого сегмента в оперативной памяти нет, то возникает прерывание, и управление передается через диспетчер памяти программе загрузки сегмента. Пока происходит поиск сегмента во внешней памяти и загрузка его в оперативную, диспетчер памяти определяет подходящее для сегмента место. Возможно, что свободного места нет, и тогда принимается решение о выгрузке какого-нибудь сегмента и выполняется его перемещение во внешнюю память. Если при этом еще остается время, то процессор передается другой готовой к выполнению задаче. После загрузки необходимого сегмента процессор вновь передается задаче, вызвавшей прерывание из-за отсутствия сегмента. Всякий раз при считывании сегмента в оперативную память в таблице дескрипторов сегментов необходимо установить адрес начала сегмента и признак присутствия сегмента.

При поиске свободного места используется одна из вышеперечисленных дисциплин работы диспетчера памяти (применяются правила «первого подходящего» и «самого неподходящего» фрагментов). Если свободного фрагмента памяти достаточного объема нет, но, тем не менее, сумма этих свободных фрагментов превышает требования по памяти для нового сегмента, то в принципе может быть применено «уплотнение памяти», о котором мы уже говорили в подразделе «Разделы с фиксированными границами» раздела «Распределение памяти статическими и динамическими разделами».

В идеальном случае размер сегмента должен быть достаточно малым, чтобы его можно было разместить в случайно освобождающихся фрагментах оперативной памяти, но достаточно большим, чтобы содержать логически законченную часть программы с тем, чтобы минимизировать межсегментные обращения. Для решения проблемы замещения (определения того сегмента, который должен быть либо перемещен во внешнюю память, либо просто замещен новым) используются следующие дисциплины:

□ правило FIFO (First In First Out - первый пришедший первым и выбывает);

□ правило LRU (Least Recently Used - дольше других неиспользуемый);

□ правило LFU (Least Frequently Used — реже других используемый);

□ случайный (random) выбор сегмента.

Первая и последняя дисциплины являются самыми простыми в реализации, но они не учитывают, насколько часто используется тот или иной сегмент, и, следовательно, диспетчер памяти может выгрузить или расформировать тот сегмент, к которому в самом ближайшем будущем будет обращение. Безусловно, достоверной информация о том, какой из сегментов потребуется в ближайшем будущем, в общем случае быть не может, но вероятность ошибки для этих дисциплин многократно выше, чем у второй и третьей, в которых учитывается информация об использовании сегментов.

В алгоритме FIFO с каждым сегментом связывается очередность его размещения в памяти. Для замещения выбирается сегмент, первым попавший в память. Каждый вновь размещаемый в памяти сегмент добавляется в хвост этой очереди. Алгоритм учитывает только время нахождения сегмента в памяти, но не учитывает фактическое использование сегментов. Например, первые загруженные сегменты программы могут содержать переменные, требующиеся на протяжении всей ее работы. Это приводит к немедленному возвращению к только что замещенному сегменту.

Для реализации дисциплин LRU и LFU необходимо, чтобы процессор имел дополнительные аппаратные средства. Минимальные требования — достаточно, чтобы при обращении к дескриптору сегмента для получения физического адреса, с которого сегмент начинает располагаться в памяти, соответствующий бит обращения менял свое значение (скажем, с нулевого, которое устанавливает операционная система, в единичное). Тогда диспетчер памяти может время от времени просматривать таблицы дескрипторов исполняющихся задач и собирать для соответствующей обработки статистическую информацию об обращениях к сегментам. В результате можно составить список, упорядоченный либо по длительности простоя (для дисциплины LRU), либо по частоте использования (для дисциплины LFU).

Важнейшей проблемой, которая возникает при организации мультипрограммного режима, является защита памяти. Для того чтобы выполняющиеся приложения не смогли испортить саму операционную систему и другие вычислительные процессы, необходимо, чтобы доступ к таблицам сегментов с целью их модификации был обеспечен только для кода самой ОС. Для этого код операционной системы должен выполняться в некотором привилегированном режиме, из которого можно осуществлять манипуляции дескрипторами сегментов, тогда как выход за пределы сегмента в обычной прикладной программе должен вызывать прерывание по защите памяти. Каждая прикладная задача должна иметь возможность обращаться только к собственным и к общим сегментам.

При сегментном способе организации виртуальной памяти появляется несколько интересных возможностей.

Во-первых, при загрузке программы на исполнение можно размешать ее в памяти не целиком, а «по мере необходимости». Действительно, поскольку в подавляющем большинстве случаев алгоритм, по которому работает код программы, является разветвленным, а не линейным, то в зависимости от исходных данных некоторые части программы, расположенные в самостоятельных сегментах, могут быть не задействованы; значит, их можно и не загружать в оперативную память.

Во-вторых, некоторые программные модули могут быть разделяемыми. Поскольку эти программные модуля являются сегментами, относительно легко организовать доступ к таким общим сегментам. Сегмент с разделяемым кодом располагается в памяти в единственном экземпляре, а в нескольких таблицах дескрипторов сегментов исполняющихся задач будут находиться указатели на такие разделяемые сегменты.

Однако у сегментного способа распределения памяти есть и недостатки. Прежде всего (см. рис. 3.4), для доступа к искомой ячейке памяти приходится тратить много времени. Мы должны сначала найти и прочитать дескриптор сегмента, а уже потом, используя полученные данные о местонахождении нужного нам сегмента. вычислить конечный физический адрес. Для того чтобы уменьшить эти потери, используется кэширование — те дескрипторы, с которыми мы имеем дело в данный момент, могут быть размещены в сверхоперативной памяти (специальных регистрах, размещаемых в процессоре).

Несмотря на то что рассмотренный способ распределения памяти приводит к существенно меньшей фрагментации памяти, нежели способы с неразрывным распределением, фрагментация остается. Кроме того, много памяти и процессорного времени теряется на размещение и обработку дескрипторных таблиц. Ведь на каждую задачу необходимо иметь свою таблицу дескрипторов сегментов. А при определении физических адресов приходится выполнять операции сложения, что требует дополнительных затрат времени.

Поэтому следующим способом разрывного размещения задач в памяти стал способ, при котором все фрагменты задачи считаются равными (одинакового размера), причем длина фрагмента в идеале должна быть кратна степени двойки, чтобы операции сложения можно было заменить операциями конкатенации (слияния). Это — страничный способ организации виртуальной памяти. Этот способ мы детально рассмотрим ниже.

Примером использования сегментного способа организации виртуальной памяти является операционная система OS/2 первого поколения, которая была создана для персональных компьютеров на базе процессора i80286. В этой операционной системе в полной мере использованы аппаратные средства микропроцессора, который специально проектировался для поддержки сегментного способа распределения памяти.

OS/2 v.l поддерживала распределение памяти, при котором выделялись сегменты программы и сегменты данных. Система позволяла работать как с именованными, так и с неименованными сегментами. Имена разделяемых сегментов данных имели ту же форму, что и имена файлов. Процессы получали доступ к именованным разделяемым сегментам, используя их имена в специальных системных вызовах. Операционная система OS/2 v. 1 допускала разделение программных сегментов приложений и подсистем, а также глобальных сегментов данных подсистем. Вообще, вся концепция системы OS/2 была построена на понятии разделения памяти: процессы почти всегда разделяют сегменты с другими процессами. В этом состояло существенное отличие системы OS/2 от систем типа UNIX, которые обычно разделяют только реентерабельные программные модули между процессами.

Сегменты, которые активно не использовались, могли выгружаться на жесткий диск. Система восстанавливала их, когда в этом возникала необходимость. Так как все области памяти, используемые сегментом, должны были быть непрерывными, OS/2 перемещала в основной памяти сегменты таким образом, чтобы максимизировать объем свободной физической памяти. Такое переразмещение сегментов называется уплотнением памяти (компрессией). Программные сегменты не выгружались, поскольку они могли просто перезагружаться с исходных дисков. Области в младших адресах физической памяти, которые использовались для запуска DOS-программ и кода самой OS/2, в компрессии не участвовали. Кроме того, система или прикладная программа могла временно фиксировать сегмент в памяти с тем, чтобы гарантировать наличие буфера ввода-вывода в физической памяти до тех пор, пока операция ввода-вывода не завершится.

Если в результате компрессии памяти не удавалось создать необходимое свободное пространство, то супервизор выполнял операции фонового плана для перекачки достаточного количества сегментов из физической памяти, чтобы дать возможность завершиться исходному запросу.

Механизм перекачки сегментов использовал файловую систему для выгрузки данных из физической памяти и обратно. Ввиду того что перекачка и компрессия влияли на производительность системы в целом, пользователь мог сконфигурировать систему так, чтобы эти функции не выполнялись. Было организовано в OS/2 и динамическое присоединение обслуживающих программ. Программы OS/2 используют команды удаленного вызова. Ссылки, генерируемые этими вызовами, определяются в момент загрузки самой программы или ее сегментов. Такое отсроченное определение ссылок называется динамическим присоединением. Загрузочный формат модуля OS/2 представляет собой расширение формата загрузочного модуля DOS. Он был расширен, чтобы поддерживать необходимое окружение для свопинга сегментов с динамическим присоединением. Динамическое присоединение уменьшает объем памяти для программ в OS/2, одновременно делая возможными перемещения подсистем и обслуживающих программ без необходимости повторного редактирования адресных ссылок к прикладным программам.

Страничный способ организации

виртуальной памяти

Как уже упоминалось, при страничном способе организации виртуальной памяти все фрагменты программы, на которые она разбивается (за исключением последней ее части), получаются одинаковыми. Одинаковыми полагаются и единицы памяти, которые предоставляются для размещения фрагментов программы. Эти одинаковые части называют страницами и говорят, что оперативная память разбивается на физические страницы, а программа — на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц задачи размещается в оперативной памяти, а часть — во внешней. Обычно место во внешней памяти, в качестве которой в абсолютном большинстве случаев выступают накопители на магнитных дисках (поскольку они относятся к быстродействующим устройствам с прямым доступом), называют файлом подкачки, или страничным файлом (paging file). Иногда этот файл называют swap-файлом, тем самым подчеркивая, что записи этого файла — страницы — замещают друг друга в оперативной памяти. В некоторых операционных системах выгруженные страницы располагаются не в файле, а в специальном разделе дискового пространства.

Разбиение всей оперативной памяти на страницы одинаковой величины, причем кратной степени двойки, приводит к тому, что вместо одномерного адресного пространства памяти можно говорить о двухмерном. Первая координата адресного пространства — это номер страницы, вторая координата — номер ячейки внутри выбранной страницы (его называют индексом). Таким образом, физический адрес определяется парой (Р_р, i), а виртуальный адрес — парой (P_v, i), где Р_v — номер виртуальной страницы, Р_р — номер физической страницы, i — индекс ячейки внутри страницы. Количество битов, отводимое под индекс, определяет размер страницы, а количество битов, отводимое под номер виртуальной страницы, — объем потенциально доступной для программы виртуальной памяти. Отображение, осуществляемое системой во время исполнения, сводится к отображению P_v в Р_р и приписыванию к полученному значению битов адреса, задаваемых величиной i. При этом нет необходимости ограничивать число виртуальных страниц числом физических, го есть не поместившиеся страницы можно размещать во внешней памяти, которая в данном случае служит расширением оперативной.

Для отображения виртуального адресного пространства задачи на физическую память, как и в случае сегментного способа организации, для каждой задачи необходимо иметь таблицу страниц для трансляции адресных пространств. Для описания каждой страницы диспетчер памяти операционной системы заводит соответствующий дескриптор, который отличается от дескриптора сегмента прежде всего тем, что в нем нет поля длины — ведь все страницы имеют одинаковый размер. По номеру виртуальной страницы в таблице дескрипторов страниц текущей задачи находится соответствующий элемент (дескриптор). Если бит присутствия имеет единичное значение, значит данная страница размещена в оперативной, а не во внешней памяти, и мы в дескрипторе имеем номер физической страницы, отведенной под данную виртуальную. Если же бит присутствия равен нулю, то в дескрипторе мы будем иметь адрес виртуальной страницы, расположенной во внешней памяти. Таким образом и осуществляется трансляция виртуального адресного пространства на физическую память. Этот механизм трансляции иллюстрирует рис. 3.5.

Защита страничной памяти, как и в случае сегментного механизма, основана на контроле уровня доступа к каждой странице. Как правило, возможны следующие уровни доступа:

· только чтение;

· чтение и запись;

· только выполнение.

Каждая страница снабжается соответствующим кодом уровня доступа. При трансформации логического адреса в физический сравнивается значение кода разрешенного уровня доступа с фактически требуемым. При их несовпадении работа программы прерывается.

При обращении к виртуальной странице, не оказавшейся в данный момент в оперативной памяти, возникает прерывание, и управление передается диспетчеру памяти, который должен найти свободное место. Обычно предоставляется первая же свободная страница. Если свободной физической страницы нет, то диспетчер памяти по одной из вышеупомянутых дисциплин замещения (LRU, LFU, FIFO, случайный доступ) определит страницу, подлежащую расформированию или сохранению во внешней памяти. На ее месте он разместит новую виртуальную страницу, к которой было обращение из задачи, но которой не оказалось в оперативной памяти.

Напомним, что алгоритм LFU выбирает для замещения ту страницу, на которую не было ссылки на протяжении наиболее длительного периода времени. Алгоритм ассоциирует с каждой страницей время ее последнего использования. Для замещения выбирается та страница, которая дольше всех не использовалась.

Для использования дисциплин LRU и LFU в процессоре должны быть соответствующие аппаратные средства. В дескрипторе страницы размещается бит обращения подразумевается, что этот бит расположен в последнем поле), становится единичным при обращении к дескриптору.

Рис. 3.5. Страничный способ организации виртуальной памяти

Если объем физической памяти небольшой и даже часто требуемые страницы не удается разместить в оперативной памяти, возникает так называемая «пробуксовка». Другими словами, пробуксовка — это ситуация, при которой загрузка нужной страницы вызывает перемещение во внешнюю память той страницы, с которой мы тоже активно работаем. Очевидно, что это очень плохое явление. Чтобы его не допускать, желательно увеличить объем оперативной памяти (сейчас это просто, поскольку стоимость модуля оперативной памяти многократно снизилась), уменьшить количество параллельно выполняемых задач или прибегнуть к более эффективным дисциплинам замещения.

Для абсолютного большинства современных операционных систем характерна дисциплина замещения страниц LRU как самая эффективная. Так, именно эта дисциплина используется в OS/2 и в Linux. Однако в операционных системах Windows NT/2000/XP разработчики, желая сделать их максимально независимыми от аппаратных возможностей процессора, отказались от этой дисциплины и применили правило FIFO. А для того чтобы хоть как-то компенсировать неэффективность правила FIFO, была введена «буферизация» тех страниц, которые должны быть записаны в файл подкачки на диск¹ или просто расформированы. Принцип буферизации прост. Прежде чем замещаемая страница действительно окажется во внешней памяти или просто расформированной, она помечается как кандидат на выгрузку. Если в следующий раз произойдет обращение к странице, находящейся в таком «буфере», то страница никуда не выгружается и уходит в конец списка FIFO. В противном случае страница действительно выгружается, а на ее место в «буфер» попадает следующий «кандидат». Величина такого «буфера» не может быть большой, поэтому эффективность страничной реализации памяти в Windows NT/2000/XP намного ниже, чем в других операционных системах, и явление пробуксовки начинается даже при существенно большем объеме оперативной памяти.

В ряде операционных систем с пакетным режимом работы для борьбы с пробуксовкой используется метод «рабочего множества». Рабочее, множество — это множество «активных» страниц задачи за некоторый интервал Т, то есть тех страниц, к которым было обращение за этот интервал времени. Реально количество активных страниц задачи (за интервал Т) все время изменяется, и это естественно, но, тем не менее, для каждой задачи можно определить среднее количество ее активных страниц. Это количество и есть рабочее множество задачи. Наблюдения за исполнением множества различных программ показали, что даже если интервал Т равен времени выполнения всей работы, то размер рабочего множества часто существенно меньше, чем общее число страниц программы. Таким образом, если операционная система может определить рабочие множества исполняющихся задач, то для предотвращения пробуксовки достаточно планировать на выполнение только такое количество задач, чтобы сумма их рабочих множеств не превышала возможности системы.

Как и в случае с сегментным способом организации виртуальной памяти, страничный механизм приводит к тому, что без специальных аппаратных средств он существенно замедляет работу вычислительной системы. Поэтому обычно используется кэширование страничных дескрипторов. Наиболее эффективным механизмом кэширования является ассоциативный кэш. Именно такой ассоциативный кэш и создан в 32-разрядных микропроцессорах i80x86. Начиная с i80386, который поддерживает страничный способ распределения памяти, в этих микропроцессорах имеется кэш на 32 страничных дескриптора. Поскольку размер страницы в этих микропроцессорах равен 4 Кбайт, возможно быстрое обращение к памяти размером 128 Кбайт.

Итак, основным достоинством страничного способа распределения памяти является минимальная фрагментация. Поскольку на каждую задачу может приходиться но одной незаполненной странице, очевидно, что память можно использовать достаточно эффективно; этот метод организации виртуальной памяти был бы одним из самых лучших, если бы не два следующих обстоятельства.

Первое — это то, что страничная трансляция виртуальной памяти требует существенных накладных расходов. В самом деле, таблицы страниц нужно тоже размещать в памяти. Кроме того, эти таблицы нужно обрабатывать; именно с ними работает диспетчер памяти.

Второй существенный недостаток страничной адресации заключается в том, что программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде. Это приводит к тому, что межстраничные переходы, как правило, осуществляются чаще, нежели межсегментные, и к тому, что становится трудно организовать разделение программных модулей между выполняющимися процессами.

Для того чтобы избежать второго недостатка, постаравшись сохранить достоинства страничного способа распределения памяти, был предложен еще один способ — сегментно-страничный. Правда, за счет увеличения накладных расходов на его реализацию.

Сегментно-страничный способ организации

виртуальной памяти

Как и в сегментном способе распределения памяти, программа разбивается на логически законченные части — сегменты — и виртуальный адрес содержит указание на номер соответствующего сегмента. Вторая составляющая виртуального адреса — смещение относительно начала сегмента — в свою очередь может быть представлено состоящим из двух полей: виртуальной страницы и индекса. Другими словами, получается, что виртуальный адрес теперь состоит из трех компонентов: сегмента, страницы и индекса. Получение физического адреса и извлечение из памяти необходимого элемента для этого способа иллюстрирует рис. 3.6.

Из рисунка сразу видно, что этот способ организации виртуальной памяти вносит еще большую задержку доступа к памяти. Необходимо сначала вычислить адрес дескриптора сегмента и прочитать его, затем определить адрес элемента таблицы страниц этого сегмента и извлечь из памяти необходимый элемент и уже только после этого можно к номеру физической страницы приписать номер ячейки в странице (индекс). Задержка доступа к искомой ячейке получается, по крайней мере, в три раза больше, чем при простой прямой адресации. Чтобы избежать этой неприятности, вводится кэширование, причем кэш, как правило, строится по ассоциативному принципу. Другими словами, просмотры двух таблиц в памяти могут быть заменены одним обращением к ассоциативной памяти

Рис. 3.6. Сегментно-страничный способ

организации виртуальной памяти

Напомним, что принцип действия ассоциативного запоминающего устройства предполагает, что каждой ячейке памяти такого устройства ставится в соответствие ячейка, в которой записывается некий ключ (признак, адрес), позволяющий однозначно идентифицировать содержимое ячейки памяти. Сопутствующую ячейку с информацией, позволяющей идентифицировать основные данные, обычно называют полем тега. Просмотр полей тега всех ячеек ассоциативного устройства памяти осуществляется одновременно, то есть в каждой ячейке тега есть необходимая логика, позволяющая посредством побитовой конъюнкции найти данные по их признаку за одно обращение к памяти (если они там, конечно, присутствуют). Часто поле тегов называют аргументом, а поле с данными — функцией. В данном случае в качестве аргумента при доступе к ассоциативной памяти выступают номер сегмента и номер виртуальной страницы, а в качестве функции от этих аргументов получаем номер физической страницы. Остается приписать номер ячейки в странице к полученному номеру, и мы получаем адрес искомой команды или операнда.

Оценим достоинства сегментно-страничного способа. Разбиение программы на сегменты позволяет размещать сегменты в памяти целиком. Сегменты разбиты на страницы, все страницы сегмента загружаются в память. Это позволяет сократить число обращений к отсутствующим страницам, поскольку вероятность выхода за пределы сегмента меньше вероятности выхода за пределы страницы. Страницы исполняемого сегмента находятся в памяти, но при этом они могут находиться не рядом друг с другом, а «россыпью», поскольку диспетчер памяти манипулирует страницами. Наличие сегментов облегчает разделение программных модулей между параллельными процессами. Возможна и динамическая компоновка задачи. А выделение памяти страницами позволяет минимизировать фрагментацию. Однако поскольку этот способ распределения памяти требует очень значительных затрат вычислительных ресурсов и его не так просто реализовать, используется он редко, причем в дорогих мощных вычислительных системах. Возможность реализовать сегментно-страничное распределение памяти заложена и в семейство микропроцессоров i80x86, однако вследствие слабой аппаратной поддержки, трудностей при создании систем программирования и операционной системы практически в персональных компьютерах эта возможность не используется.

Контрольные вопросы и задачи

1. Что такое «виртуальный адрес», «виртуальное адресное пространство»? Чем (в общем случае) определяется максимально возможный объем виртуального адресного пространства программы?

2. Имеются л и виртуальные адреса в программах, написанных для работы в среде DOS? Приведите примеры абсолютной двоичной программы для таких операционных систем, как MS DOS и Windows NT/2000/XP.

3. Изложите способ распределения памяти в MS DOS.

4. Что дает использование оверлеев при разработке DOS-приложений?

5. Объясните и сравните алгоритмы «первый подходящий», «самый подходящий» и «самый неподходящий», используемые при поиске и выделении фрагмента памяти.

6. Что такое «фрагментация памяти»? Какой метод распределения памяти позволяет добиться минимальной фрагментации и почему?

7. Что такое «уплотнение памяти»? Когда оно применяется?

8. Объясните сегментный способ организации виртуальной памяти. Что представляет собой (в общем случае) дескриптор сегмента?

9. Что представляет собой динамическое присоединение программ? Что оно даст?

10. Сравните сегментный и страничный способы организации виртуальной памяти. Перечислите достоинства и недостатки каждого.

11. Какие дисциплины применяются для решения задачи замещения страниц? Какие из них являются наиболее эффективными и как они реализуются?

12. Что такое «рабочее множество»? Что позволяет разрешить реализация этого понятия?

13. В каких случаях возникает «пробуксовка»? Почему системы Windows NT/ 2000/ХР требуют для своей нормальной работы существенно большего объема оперативной памяти?

Глава 4. Особенности архитектуры

микропроцессоров i80x86 для организации

мультипрограммных операционных систем

В рамках данной книги мы, естественно, не будем рассматривать все многообразие современных 32-разрядных микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах и иных вычислительных системах, а ограничимся рассмотрением только архитектурных, а не технических характеристик микропроцессоров, и под обозначением i80x86 будем понимать любые 32-разрядные микропроцессоры, имеющие основной набор команд такой же, как и в первом 32-разрядном микропроцессоре Intel 80386, и те же архитектурные решения, что и в микропроцессорах фирмы Intel. Нас не будут интересовать новые наборы команд типа ММХ или SSE, не будем мы касаться и архитектурных особенностей микропроцессоров, повышающих их производительность. Мы опишем только те механизмы, которые позволяют организовать мультипрограммный и мультизадачный режимы, виртуальную память, обеспечить надежные вычисления.

Реальный и защищенный режимы

работы процессора

Широко известно, что первым микропроцессором, на базе которого был создан персональный компьютер IBM PC, был Intel 8088. Этот микропроцессор отличался от первого 16-разрядного микропроцессора фирмы Intel (микропроцессора 8086), прежде всего, тем, что у него была 8-разрядная шина данных, а не 16-разрядная (как у 8086). Оба этих микропроцессора предназначались для создания вычислительных устройств, работающих в однозадачном режиме, то есть специальных аппаратных средств для поддержки надежных и эффективных мультипрограммных операционных систем в них не было.

Однако к тому времени, когда разработчики осознали необходимость включения специальной аппаратной поддержки мультипрограммных вычислений, уже было создано очень много программных продуктов. Поэтому для совместимости с первыми компьютерами в последующих версиях микропроцессоров была реализована возможность использовать их в двух режимах: реальном (real mode) — так назвали режим работы первых 16-разрядных микропроцессоров — и защищенном (protected mode), означающем, что параллельные вычисления могут быть защищены аппаратно-программными механизмами.

Подробно рассматривать архитектуру первых 16-разрядных микропроцессоров i8086/i8088 мы не будем, поскольку этот материал должен изучаться в других дисциплинах. Итак, мы исходим из того, что читатель знаком с архитектурой процессора i8086/i8088 и с программированием на ассемблере для этих 16-разрядных процессоров Intel. Для тех же, кто с ней незнаком, можно рекомендовать, например, такие книги, как и многие другие. Однако мы напомним, что в этих микропроцессорах (а значит, и в остальных микропроцессорах семейства i80x86 при работе их в реальном режиме) обращение к памяти с возможным адресным пространством в 1 Мбайт осуществляется посредством механизма сегментной адресации (рис. 4.1). Этот механизм был использован для того, чтобы увеличить с 16 до 20 количество разрядов, участвующих в формировании адреса ячейки памяти, по которому идет обращение, и тем самым увеличить доступный объем памяти.

Рис. 4.1. Схема определения физического адреса для процессора 8086

Для конкретности будем рассматривать определение адреса команд, хотя для адресации операндов используется аналогичный механизм, только участвуют в этом случае другие сегментные регистры. Напомним, что для определения физического адреса команды содержимое регистра сегмента кода (Code Segment, CS) умножается на 16 за счет добавления справа (к младшим битам) четырех нулей, после го к полученному значению прибавляется содержимое регистра указателя команд (Instruction Pointer, IP). Получается 20-разрядное значение, которое и позволяет указать любой байт из 20²⁰.

В защищенном режиме работы определение физического адреса осуществляется совершенно иначе. Прежде всего, используется сегментный механизм для организации виртуальной памяти. При этом адреса задаются 32-разрядными значениями. Кроме этого, возможна страничная трансляция адресов, также с 32-разрядными значениями. Наконец, при работе в защищенном режиме, который по умолчанию предполагает 32-разрядный код, возможно исполнение двоичных программ, созданных для работы микропроцессора в 16-разрядном режиме. Для этого введен режим виртуальной 16-разрядной машины, и 20-разрядные адреса реального режима транслируются с помощью страничного механизма в 32-разрядные значения защищенного режима. Наконец, есть еще один режим — 16-разрядный защищенный, позволяющий 32-разрядным микропроцессорам выполнять защищенный 16-разрядный код, который был характерен для микропроцессора 80286. Правда, следует отметить, что этот последний режим практически не используется, поскольку программ, созданных для него, не так уж и много.

Для изучения этих возможностей рассмотрим сначала новые архитектурные возможности микропроцессоров i80x86.

Новые системные регистры микропроцессоров 180x86

Основные регистры микропроцессора i80x86, знание которых необходимо для понимания защищенного режима работы, приведены на рис. 4.2. На этом рисунке следует обратить внимание на следующее:

□ указатель команды (EIP) — это 32-разрядный регистр, младшие 16 разрядов которого представляют регистр IP;

□ регистр флагов (EFLAGS) — это 32-разрядный регистр, младшие 16 разрядов которого представляют регистр FLAGS;

□ регистры общего назначения ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX, а также регистры ESP, EBP, ESI, EDI 32-разрядные, однако их младшие 16 разрядов представляют собой известные регистры АХ, ВХ, CX.DX, SP, ВР, SI, DI;

□ сегментные регистры CS, SS, DS, ES. FS, GS 16-разрядные, при каждом из них пунктиром изображены скрытые от программистов (недоступные никому, кроме собственно микропроцессора) 64-разрядные регистры, в которые загружаются дескрипторы соответствующих сегментов;

□ при 16-разрядном регистре-указателе на локальную таблицу дескрипторов (Local Descriptor Table Register, LDTR) также имеется «теневой» (скрытый от программиста) 64-разрядный регистр, в который микропроцессор заносит дескриптор, указывающий на таблицу дескрипторов сегментов задачи, описывающих ее локальное виртуальное адресное пространство;

□ 16-разрядный регистр задачи (Task Register, TR) указывает на дескриптор в глобальной таблице дескрипторов, который позволяет получить доступ к дескриптору сегмента состояния задачи (Task State Segment, TSS) — информационной структуре, которую поддерживает микропроцессор для управления задачами;

□ 48-разрядный регистр GDTR (Global Descriptor Table Register) глобальной таблицы дескрипторов (Global Descriptor Table, GDT) содержит как дескрипторы общих сегментов, так и специальные системные дескрипторы, в частности, в GDT находятся дескрипторы, с помощью которых можно получить доступ к сегментам TSS;