Основные компоненты ВС (стр. 5 из 6)

Канал - это специализированная вычислительная машина, имеющая специализированный процессорный элемент и необходимую память. Канал обычно имеет следующую структуру: у него есть высокоскоростной канал связи с оперативной памятью основной машины, управляющие каналы для взаимодействия с ЦП и имеется некоторое количество каналов для подключения внешних устройств.

Функцией канала является выполнение макрокоманд, обеспечивающих ввод/вывод. То есть ЦП подает не последовательность команд (к примеру, включить двигатель магнитных головок, переместить магнитную головку на заданный цилиндр, дождаться нужного сектора, произвести чтение порции данных, произвести проверку правильности и т.п.), а макрокоманду (произвести обмен заданного объема по заданным координатам), и необходимую последовательность команд выполняет канал. Таким образом, канал разгружает ЦП. При этом каналы могут быть достаточно интеллектуальны. В канале может быть организована буферизация за счет своей внутренней памяти (аналогично буферизации при работе с оперативной памятью). Современная вычислительная машина может иметь несколько таких каналов, которые позволяют организовывать управление внешними устройствами, а с другой стороны освобождают процессор от лишней работы.

Мультипрограммирование

Давайте рассмотрим еще один внутрисистемный аспект, который может продемонстрировать взаимное влияние программного обеспечения и аппаратуры. Этот аспект связан с мультипрограммированием.

Нарисуем простую диаграмму:

Ось абсцисс связана со временем. На оси ординат отмечены выполняемые задачи. Пусть процессор работает над Задачей №1. В какой-то момент ему потребовались данные, которые находятся на ВЗУ. Формируется заказ на обмен, но данные с устройства еще не поступили (мы знаем, что скорость обмена низка). И какое-то время процессор простаивает. Затем обмен завершился, и программа начала выполняться далее. Затем эта ситуация повторяется (опять простой и т.д.). В зависимости от типа или класса решаемой на этой машине задачи, таких простоев может быть от 99% всего времени до единиц процентов в том случае, если программа долго что-то вычисляет, не обращаясь к внешним устройствам. Но в любом случае эта ситуация приводит к неэффективной работе вычислительной системы, поэтому было бы неплохо при наличии асинхронно работающих устройств (то есть тех устройств, которые работают под управлением аппарата прерываний) в промежутки времени, когда одна программа не может выполняться (так как она ожидает данные), запускать другую программу (Задачу №2). Задача №2 будет жить по тем же правилам (то есть в периоды обмена Задачи №2 и Задачи №1 с внешними устройствами будет запускаться третья задача, и так далее).

Режим работ программного обеспечения и аппаратуры, обеспечивающий одновременное выполнение нескольких программ, называется мультипрограммным режимом. Изначально мультипрограммирование появилось в целях максимальной загрузки процессора, поскольку когда-то это устройство было самым дорогостоящим. На сегодняшний день это устройство одно из самых дешевых в компьютере. Посмотрим, что нужно от аппаратуры вычислительной системы для поддержания режима мультипрограммирования. Давайте перечислим те проблемы, которые могут возникнуть, когда, кроме некоторой управляющей программы (операционной системы) и одной программы пользователя, появилась еще одна программа пользователя. То есть, если ранее все ошибки и некорректности в отношении системы приводили к наказанию самого себя, то теперь, при появлении чужих программ в памяти возникают новые проблемы.

Первая проблема: кто-то взял и записал в пространство моей программы свою информацию или считал из пространства моей программы мою информацию (может быть, конфиденциальную). Если программа испорчена, то будет сбой в системе. Следовательно, возникает проблема защиты памяти, то есть в вычислительной системе должен быть реализован на аппаратном уровне механизм, обеспечивающий защиту адресного пространства каждой из программ от несанкционированного доступа других программ. Это означает, что этот механизм при выполнении доступа по исполнительным адресам будет контролировать корректность доступа.

На прошлой лекции мы с вами рассматривали механизм виртуальной памяти на примере страничной организации памяти. Если в таблице приписки в какой-то строке находился код меньше нуля, это означало, что эта виртуальная страница недоступна. И при попытке обратиться к этой странице, срабатывает аппарат защиты памяти. А срабатывает он таким образом: в системе возникает прерывание по защите памяти, при обработке этого прерывания операционная система (ОС) смотрит, а действительно ли этой страницы памяти у данной программы нет (то есть это чужая страница). Если эта страница действительно чужая, то прерывание прекращает выполнение данного процесса с диагностикой обращения в чужую память. Возможна и другая ситуация: если какие то страницы еще не загружены в память и ОС в своих внутренних программных таблицах отметила, что на самом деле у меня есть эта страница и что, предположим, она находится на внешнем устройстве. В этом случае прерывание игнорируется, так как ошибки нет (просто нет еще достаточно информации для продолжения программы). Так устроена защита памяти.

Вторая проблема: пусть в вычислительной системе есть принтер, и есть два процесса, которым он нужен. И пусть один из процессов обратился к внешнему устройству с командой напечатать строку (а он печатает, скажем, ведомость на экзамен, а другой процесс печатает, предположим, докладную декану). И первая строчка напечаталась: “Ведомость”. После этого другой процесс пишет: “Декану факультета ВМК чл. корр. РАН Д.П. Костомарову”, и тоже обращается к устройству печати. Устройство печати печатает вторую строчку, и так далее. В итоге получается документ, который остается только сжечь, так как там напечатан бред. Это первый пример. Второй пример: мы с вами говорили о виртуальной памяти и о том, что таблицы приписки заполняются оперативной системой программно (существуют команды, которые позволяют записать некоторую информацию в таблицу приписки). И пусть, появились два лихих программиста, которые решили отвести себе побольше памяти, и каждый из них исправил соответственно таблицу приписки, выделив себе всю память. Но память-то одна, и получилось нехорошо. И в первом и во втором примере программам пользователя были доступны команды управления компонентами вычислительной системы (в первом случае - команды управления внешним устройством, во втором случае - оперативной памятью), что и привело к некорректности в работе. Это означает, что, пока эти команды доступны, то корректный режим мультипрограммирования организовать невозможно, потому что всегда найдутся два молодца, которые чего-нибудь да испортят (даже не специально, а просто по незнанию).

Итак, вторым условием для организации мультипрограммного режима является наличие привилегированного режима в системе. Привилегированный режим - это режим работы центрального процессора, в котором программе доступны все возможные команды. Непривилегированный режим (еще его называют пользовательским) - режим, в котором доступно лишь некоторое подмножество команд. В пользовательском режиме программы пользователя не смогут обратиться напрямую к управлению компонентами вычислительной системы.

Может возникнуть вопрос: а если все-таки надо печатать, и работают несколько программ, как быть? Обычно во всех системах имеются средства обращения к ОС (ОС работает в привилегированном режиме и ей доступно все). Программа пользователя может передать заказ на некоторые действия ОС (в разных системах это реализовано по-разному), например, с помощью прерываний. Вернемся к примеру с принтером. Теперь процесс не вызывает конкретную команду, а обращается с заказом напечатать строку к ОС. Она принимает заказ и строку, и буферизует эту информацию в некоторых своих программных буферах. Реальной печати при заказе не происходит, очередная строчка просто попадает в буфер, который относится к моей программе. Печать этого буфера будет происходить только при завершении программы, когда уже ясно, что заказов на печать больше не будет.

Третья проблема: в одной из программ появилась ошибка, программа зациклилась и система зависла. Что в этом случае может помочь? Может помочь некоторое средство, которое будет периодически прерывать выполнение программы. Для нашего примера это должно быть прерывание по таймеру, чтобы один раз в какой-то промежуток времени процесс прерывался, и управление передавалось ОС. Она же сама должна решать, как ей поступить в этом случае.

Вот три условия на аппаратуру вычислительной системы, которые должны быть выполнены, если необходимо организовать мультипрограммный режим работы.

Аппарат подкачки

Следующая проблема: в системе, работающей в мультипрограммном режиме, находится много программ. Пусть есть реальная оперативная память со страничной организацией. Какую-то часть памяти занимает ОС, какую-то часть занимает Задача №1, какую-то часть - Задача №2 и т.д. В простейшем случае, в системе может находится столько программ, сколько может разместить в себе оперативная память. Это достаточно неэффективно, потому что выполняемый в данный промежуток времени код программы локализован в нескольких виртуальных страницах (например, какой-то цикл или функция, которые выполняются в данный момент). Если мы будем размещать в оперативной памяти весь код и все данные нашей программы, то большая часть оперативной памяти будет простаивать, потому что мы до нее еще должны добраться. Появляется естественное желание держать в оперативной памяти только те фрагменты адресного пространства, которые в данный момент используются. Для этого используется аппарат подкачки (или swapping). Это программно-аппаратное средство.