кп_лекция_01

6

Лекция 1.

Программное обеспечение персональных компьютеров

Программное обеспечение персональных компьютеров можно разделить на несколько классов в зависимости от назначения:

• операционные системы;

• системы программирования;

• инструментальные программные средства, интегрированные пакеты;

• прикладные программы.

Операционная система

Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающих

• управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютера

• управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными.

• пользовательский интерфейс, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд – операций по обработке информации.

Операционные системы – наиболее машинозависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами, или как еще говорят, обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера.

Операционные системы делятся на однопользовательские и многопользовательские

однозадачные и многозадачные.

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.

Понятие последовательного 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 задачей" (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.

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, ее 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).

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.

Понятие операционной среды

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.

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 (супервизорной) 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 Limix.

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-раз-ряднго программного интерфейса этой операционной системы;

- 16-разрядные программы, созданные для систем OS/2 первого поколения; Q 16-разрядные приложения, разработанные для выполнения в операционной

среде MS DOS или PC DOS; а 16-разрядные приложения, созданные для операционной среды Windows З.х;

- саму операционную оболочку Windows З.х и уже в ней — созданные для нее программы.

А операционная система Windows ХР позволяет выполнять помимо основных приложений, созданных с использованием Win32API, 16-разрядные приложения для Windows З.х, 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 к 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, — и 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.

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); О прерывания по нарушению питания; а прерывания с пульта оператора вычислительной системы; а 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; а при делении на ноль;

— вследствие переполнения или исчезновения порядка;

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

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 вычис­лений. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и 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.