Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана – принцип совместной работы программ и данных в памяти компа. 1946 – Артур Бёрнс и Джон фон Нейман издали статью ПЭвМ. Принципы 1)принцип двоичного кодирования 2) принцип однородности памяти. Как команды так и данные хранятся в одной памяти и действия над ними можно совершать одни и те же 3) принцип адресации памяти.
ОС – совокупность программных средств являющиеся посредником между пользователем и ЭвМ, управляющая памятью и другими ресурсами компа и обеспечивающая безопасность в процессе работы. Системное программное обеспечение включает в себя ОС,операционные оболочки, утилиты, системы программирования. ОС управляет процессом обработки программ пользователей и распределение ресурсов между программами и пользователем. Операционная оболочка- программные настройки для создания интерфейса.
Состав и функции ОС. Функции ОС можно подвести под управление объектами. 1) Хранение данных 2) прикладные процессы 3) область взаимодействия программ, управление безопасностью данных, управление диагностикой системы, интерфейс, обработка ошибок и учёт используемых ресурсов. ОС имеет блочную структуру в которую входят: монитор, управляющий выполнением программ; загрузчик, супервизор управляет процессором, оборудованием и памятью, планировщик осуществляет планирование порядка выполнения задач, утилиты. Для реализации ОС применяют 2-а подхода. 1) в оперативке размещаются только те части ОС, с которыми в данный момент работает процессор, резидентные программы. Все остальные во внешней памяти. 2) ОС защиты в ПЗУ и пример БИОС.
Классификацию ОС в зависимости от функциональных возможностей: 1) одно- и многозадачные 2) одно- и многопользовательские 3) одно- и многопроцессорные с разделением потоков программ между несколькими процессами.
Наследование – механизм повторного использования кода. Инкопсуляция – механизм скрытия кода. Полерфизм – применение свойств к разным типам.
Каждый объект выполняет определённую информ задачу и представляет сервис программа и пользовательские программы запрашивают сервис от объектов, но не имеют прямого доступа данных. При программировании в этой архитектуре не описывается, как обрабатывать данные, а запрашиваются нужные результаты обработки, объекты выполняют определённые процессы над ассоциируемыми данными и передают результат пользователю.
Структура объектно-ориентированной оси.
Прикладные программы-> инструментальные средства-> средства автоматизации процесса разработки -> модуль языков программирования->микроядро. Процессы обработки данных объектами разрабатываются с использованием специальных объектно-ориентированных языков программирования. Различные приложения создаются с использованием средств процесса разработки. Инструментальные средства предназначены для создания сервисных программ, обеспечивающие интерфейс с прикладными программами. Микроядро реализует функции обычной ОС. Операционная платформа – функциональный блок для реализации взаимодействия прикладных программ и группы ОС. Её основной идеей является интерфейсная программа, обеспечивающая с 1-й стороны прикладной интерфейс, а с другой могут работать на разных осях. В результате прикладные программы могут работать на разных осях. Прикладная среда – окружение ОС, обеспечивающее представление разных интерфейсов для прикладных программ и процессоров. Цель: возможность использования прикладных программ в вычислительной системе без потерь мощности.
Вокруг ОС, выбранной в качестве базовой, создаётся оболочка, представляющая набор нужных интерфейсов. Аппаратные позволяют обеспечить в 1-й системе взаимодействие различных абонентских систем, а прикладные обеспечивают распределение обработки данных. В прикладную среду может быть подгружено несколько базовых ОС.
Организация адресации и защита памяти. Формирование памяти: для процессора(802.86 вроде) работают с реальной и виртуальной памятью. РЕАЛЬНАЯ – физическая память системы и физические адреса. С этой памятью процессор работает в реальном режиме и надо ему 1мб. вИРТУАЛЬНАЯ – адреса, которыми оперирует программа. В реальном режиме работы процессора функционирование реальных и виртуальных адресов совпадает, в защищённом режиме микропроцессор обеспечивает доступ к 16мб физ памяти и используется в программых виртуальной памяти размер которой значительно > физической. С точки зрения программ вся доступная адресуемая память – реальная, хотя это не так. Часть располагается на диске, а ОС перекачивает её в ОЗУ, когда возникает необходимость. Физические адреса формируемые микропроцессором состоят из 2-х 16-и битных компонентов: значение регистра и значение смещений. Эти компоненты адреса обрабатываются в зависимости от режима.
В реальном режиме память делит на сегменты по 64кб. В регистр сегментов записывается адрес текущего рабочего сегмента, а смещение определяет положение данных внутри сегмента. Для вычисления физич адреса данных выполняется следующ: 16-битовое значение регистра умножается на 16, то есть происходит преобразование в 20-и битовый формат путём добавления справа 4 нулевых бита, к полученному прибавляется смещение в 16-ричном формате ->получаем физический адрес в 20 битовом фармате.
Определение физического адреса в защищённом режиме. При формировании адресов в защищённом режиме учитывается следующее: 1) система может адресовывать в память до 16мб 2) виртуальные адреса не эквивалентны физически.
3.Программы могут работать с разделами, которые в момент обращения не находятся в физической памяти.
4. Различные программы могут обращаться к различным виртуальным пространствам.
5. Есть защита памяти между ОС и программой.
6. Сущность организации памяти в защищенном режиме состоит в том, что содержание сегмента не определяет базовое значение физического сегмента памяти, как было в реальном режиме. Значение регистра в защищенном режиме является сектором, который есть спец. Указатель для определенной таблицы, создающейся ОС и содержащий всю информацию о распределении памяти в системе. Элементы этой таблицы, относящиеся к одному сегменту называют ,дескриптором сегмента.
Структура селектора
15 3 |
2 1 0 |
0,1-биты значения приоритетов
3- бит выбора глобальных или локальных переменных
До 13 бита –значение номера дескриптора
Два младших бита 0 и 1 при формировании физического адреса не используются, нужны для реализации механизма защиты памяти.
Бит номер 2 для выбора локальных или глобальных таблиц дескрипторов (GDT), содержит информацию для памяти, которая используется всей системой вне зависимости от исполняемой программы.
Различные таблицы локальных дескрипторов (LDT) создаются для тех программных элементов, которые должны быть защищены друг от друга. Дескриптор сегмента имеет длину 8 байт. Содержит следующее: 24-битовое значение, определяющее адрес начала физического сегмента, разрядность позволяет обеспечивать доступ к 16 Мб реальной памяти. 16-битовое значение размера сегмента позволяет задавать размерность сегмента до 64 КБ. Признак наличия или отсутствия сегмента в памяти в данный момент-(0,1). Признак записи в регистр сегментов значения –селектора, соответствующего данному дескриптору ,вид сегмента, специальный сегмент программный уровень приоритета дескрипторов. Физический адрес длиной 24 бита формируется из текущего значения дескриптора 16-битового смещения. Для ускорения работы микропроцессора он хранит в своей вспомогательной памяти текущие адреса и таблицы LDT и GDT, а так же значения дескриптора текущего сегмента. Такая организация адресации позволяет
Процессору не обращаться к таблицам дескрипторов, пока не произойдёт смена текущего фрагмента памяти. Рассмотренная схема адресации обеспечивает поддержку виртуальных адресов, которые на самом деле не существуют в физической памяти. Если необходимого сегмента нет, то система узнает об том по содержимому его дескриптора. Селекторы программных сегментов и сегментов данных хранятся в различных регистрах процессора, которые обычно обозначаются CS и DS. Выбор конкретной команды в программном сегменте осуществляется с помощью спец регистра указателя команд.
Смещение данных в сегменте может быть указано различными способами: может быть задано в выполняемой команде, может быть вычислено или представлено в элементарной форме.
Защита памяти и приоритеты
Микропроцессоры все современные в защищенном режиме позволяют организовать защиту памяти и организовать приоритеты. В реальном режиме возможность защиты данных полностью отсутствует. Это значит, что любая программа может обратиться к любому разделу памяти и выполнять любые команды разрешённые в данном режиме. При работе с этими процессорами в защищённом режиме ОС обеспечивают полную защиту любой программы от остальных путём формирования отдельной таблицы локальных дескрипторов для каждой программы.
Какое бы значение дескриптора не сформировала программа, ей все равно не удастся обратится к дескриптору из другой таблицы LDT.
Кроме того, процессор выполняет ещё проверку ряда условий корректного обращения программ к памяти. Если условие не выполняется, процессор выполняет спец набор команд, называемый обработчиком особых ситуаций.
Примеры особых ситуации и действий, выполнение которых программой приводит к ним:
Селектор указывает на дескриптор, расположенный за границей текущей таблицы дескрипторов.
Смещение оказывается больше размера текущего объекта памяти.
3) Нарушены правила приоретета
4)Попытки записать в область памяти предназначенную только для чтения.
Особая ситуация возникает и и в том случае ,когда процессор пытается записать в регистр сегментов значения дескриптора ,отсутствующего в реальной памяти сегмента .В этом случае ОС
Отыскивает сегмент на диске ,перекачивает его в память и изменяет соответствующий дескриптор так, чтоб он содержал информацию о наличии файла в сегменте.
Основной идеей приоритетов является то, что программы могут обращаться только к тем данным, которые имеют тот же или более низкий приоритет это предохраняет ОС от работающих программ и ,с другой стороны позволяет оси обращаться к программам более низкого уровня.
Уровень приоритета выполняемого в данный момент процесса называется текущим значением приоритета ,определяется 2-мя младшими битами сегмента. Уровень приоритета данных задается 2-мя битами дескрипторов соответствующего сегмента и называется уровнем приоритета дескриптора . При корректном обращении текущий уровень приоритета должен быть (больше или равен) уровня приоритета дескриптора. В микропроцессоре 80284 может иметь 4 уровня приоритета от 0 до 3 где ,где 0-высший приоритет ,3 –низший.CPL(меньше или равно) DPL.
Обычно установлением приоритетов занимается ОС.В оси ОС\2 большинство прикладных программ имеет приоритет 3 ,а ядро имеет нулевой приоритет.Ось может определить те
Уровни приоритета из которых можно обращаться к специализорованным набором команд для ввода –вывода.IOPL-ПРИОРИТЕТ КОМАНД ввода –вывода
Программы с приоритетом IOPL на называются привилегированными .
В ОС\2 IOPL имеют приоритет 2 ,к примеру.
Выполнение команд ввода-вывода сопровождается проверкой уровня приоритета программы так как они могут нарулить уровень приоритета оси,используя IOPL ,ось может ограничить число прикладных ,использующих команды ввода –вывода.Для этого ей достаточно определить уровень приоритета с которого начинается IOPL.Есть команлы ,которые разрешаются к выполнению только из приоритетного уровня 0.Эти команды предназначены для формирования значений таблиц дескрипторов и хранения их в памяти .
Приоритеты используются не только для разграничения доступа к данным,но и для организации действия программы.
Передача управления внешним подпрограммам и вызовы процедур могут выполняться только когда соответствующие программные сегменты имеют один уровень приоритета.Это не позволяет программам самостоятельно обращаться к программным сегментам ОС.
ВАЖНО!!! В систем есть спец. Средства для организации взаимодействия между программами с разными уровнями приоритетов .Для этого есть спец.дескрипторы сегментов называющиеся шлюзами. Они позволяют осуществить передачу управления другому приоритетному уровню или изменить текущий уровень приоритета программы.
Linux, плюсы и минусы.
Бесплатна
Пакет Sambo –пакет серверных утилит и приложений, управление через командную строку и интерфейс
Настройка оси через конфигурационные файлы
Более надежна и работоспособна
Дисковая операционная система DOS
Основные хар-ки:
Ось рассчитана на работу только одного пользователя. Выполнение: след. задача идет после пред.
Позволяет использовать для программ и данных менее 640 кб оперативы.
Обеспечивает работу в однозадачном режиме.
Распред. адресного пространства ПК: в зависимости от модификации ПК и состава его периферийных устройств и оборудования, адресное пространство может варьироваться, но основные компоненты лежат четко на опред. местах.