SYSTEMY OPERACYJNE

Wykład 2

Struktury systemów komputerowych

• działanie systemu komputerowego
• struktury wejścia - wyjścia
• struktura pamięci
• hierarchia pamięci
• ochrona sprzętowa
• ogólna architektura systemu
  

Współczesny system komputerowy

działanie systemu komputerowego

• program rozruchowy (bootstrap program)
  - określa stan początkowy wszystkich elementów systemu (rejestry pamięci, sterowniki, zawartość pamięci)
  - ładuje jądro systemu operacyjnego i rozpoczyna jego działanie
  - przekazuje sterowanie SO, który wykonuje swój pierwszy proces init

• Proces init czeka na wystąpienie jakiegoś zdarzenia

• przerwanie (interrupt) od sprzętu poprzez wywołanie sygnału do jednostki centralnej (np. zakończenie operacji we/wy)
• przerwanie od oprogramowania poprzez wykonanie specjalnej operacji nazywanej wywołaniem systemowym ( system call) , a niekiedy wywołaniem monitora ( monitor call) (np. dzielenie przez zero)
• po otrzymaniu sygnału przerwania procesor przerywa swoją pracę i przechodzi do wykonania odpowiedniej procedury obsługi przerwań

 

• Najważniejsze cechy funkcjonowania systemu komputerowego

• urządzenia we/wy oraz CPU mogą działać współbieżnie
• każdy sterownik we/wy zarządza urządzeniem danego typu
• każdy sterownik we/wy posiada lokalny bufor
• CPU przesyła dane z/do pamięci głównej do/z lokalnych buforów
• operacje we/wy odbywają się z urządzeń do ich lokalnych buforów
• sterownik urządzenia informuje CPU o zakończeniu operacji we/wy za pomocą przerwań

• Ogólne funkcje architektury przerwań

• przerwanie powoduje przekazanie sterowania do procedury obsługi przerwań, z użyciem tzw. wektora przerwań - tablicy zawierającej adresy procedur obsługujących przerwania
• system, w którym nastąpiło przerwanie musi zapamiętać i przechować adres (i inne informacje) przerwanego rozkazu (stos systemowy)
• nowe przerwania przychodzące podczas obsługi bieżącego przerwania są zwykle wyłączone (opóźniane do czasu, aż system upora się z bieżącym przerwaniem), aby nie utracić bieżącego przerwania

• w nowszych systemach jest możliwość przerwania przerwań na bazie priorytetów przerwań

• pułapka ( trap ) czyli wyjątek jest rodzajem przerwań generowanych przez oprogramowanie w wyniku błędu (np. dzielenie przez zero, niewłaściwy dostęp do pamięci) lub specjalnego zamówienia z programu użytkownika
• system operacyjny jest systemem sterowanym przerwaniami

• Obsługa przerwań

• SO zachowuje stan CPU przez zapamiętanie zawartości rejestrów i licznika rozkazów
• określa typ przerwania jakie nastąpiło przez:

• odpytywanie , tzn. badanie stanu wszystkich urządzeń we/wy ,albo
• wektorowy system przerwań

• segmenty kody programu określają jakie działania muszą być podjęte dla każdego typu przerwań

• Struktura wejścia - wyjścia

• uniwersalny system komputerowy składa się z CPU i pewnej liczby sprzętowych sterowników urządzeń połączonych za pomocą wspólnej szyny
• każdy ze sterowników jest odpowiedzialny za określony typ urządzenia
• do niektórych rodzajów sterowników można dołączyć więcej niż jedno urządzenie (do 7-miu lub więcej w SCSI)
• sprzętowy sterownik
  • zarządza pamięcią buforową i specjalnymi rejestrami
  • odpowiada za przenoszenie danych między urządzeniami WE/WY a swoją pamięcią buforową

• Przerwania wejścia - wyjścia

  • aby rozpocząć operację WE/WY CPU określa zawartość rejestrów w sterowniku danego urządzenia
  • jeśli sterownik wykryje np. zamówienie czytania, to rozpocznie przesyłanie danych z urządzenia do swojego lokalnego bufora
  • po przesłaniu danych sterownik informuje CPU, że zakończył operację
  • aby przekazać tę wiadomość, sterownik powoduje przerwanie
  • opisana sytuacja to z reguły wynik zamawiania przez proces operacji WE/WY

• dwa możliwe scenariusze po rozpoczęciu operacji WE/WY

  1. sterownik wraca do procesu użytkownika po zakończeniu operacji przesyłania danych (synchroniczne WE/WY)
     • specjalna instrukcja, wait powoduje bezczynność procesora aż do następnego przerwania, lub gdy pętla czekania jest wykonywana
     • co najwyżej jedno zamówienie WE/WY jest obsługiwane w danej chwili; nie ma możliwości jednoczesnego wykonywania kilku operacji WE/WY
     • 
  2. sterowanie wraca do procesu użytkownika bez czekania na zakończenie operacji WE/WY (asynchroniczne WE/WY)
     • wywołanie systemowe - zamówienie do SO, które pozwoliłoby programowi użytkownika czekać na zakończenie operacji WE/WY
     • tablica stanów urządzeń - zawiera informację o poszczególnych urządzeniach, ich stanie, adresach
     • SO będzie utrzymywał kolejki - listę oczekujących zamówień do urządzenia

• Struktura DMA

  1. Powolne urządzenia WE/WY, np. czytanie wiersza danych z terminala odbywa się znak (1 bajt) po znaku, tzn. przerwanie po każdym znaku

     • znak jest akceptowany i przesyłany co około 1 ms (1000 ms.)
     • procedurze obsługi przerwania wystarczy około 2ms na wprowadzenie znaku do bufora
     • z 1000 ms procesora pozostaje 998 ms na obliczenia i obsługę innych przerwań
     • takie asynchroniczne przerwania otrzymują niski priorytet
  2. Szybkie urządzenia (taśmy, dyski) mogą przesyłać z szybkością zbliżoną do szybkości pamięci operacyjnej
     • procesor potrzebuje 2 ms na obsługę każdego przerwania, a nadchodzą one np. co 4 ms
     • nie pozostaje zbyt wiele czasu na wykonanie procesów
  • ROZWIĄZANIE: umożliwienie szybkim urządzeniom WE/WY bezpośredni dostęp do pamięci operacyjnej (direct memory acces - DMA)
    • sterownik urządzenia przesyła bloki danych z pamięci buforowej bezpośrednio do pamięci operacyjnej bez interwencji CPU
    • tylko jedno przerwanie jest generowane na jeden blok (a nie na jeden znak) (blok = 128 ÷ 4096 bajtów)

• struktura pamięci
  • pamięć operacyjna (oraz rejestry CPU) - jedyne medium pamięciowe, do którego CPU ma bezpośredni dostęp
    • wykonywany rozkaz i wszystkie jego operandy muszą znajdować się w pamięci o dostępie bezpośrednim
    • często wejście - wyjście jest odwzorowane w pamięci; dzięki temu np. w IBM PC każde miejsce ekranu jest odwzorowane w komórce pamięci
    • rejestry w CPU są na ogół dostępne w jednym cyklu zegara
    • dekodowanie rozkazu, proste operacje na zawartościach rejestrów zajmują jeden lub więcej taktów zegara
    • PROBLEM*, jeżeli operand znajduje się w pamięci operacyjnej dostęp do niej odbywa się poprzez szynę pamięci i może zająć wiele cykli zegara - procesor utyskuje (brak danych)
    • RATUNEK*: pamięć podręczna (CACHE)
  • pamięć pomocnicza - trwale przechowuje duże ilości danych; rozszerzenie pamięci operacyjnej
  • dysk magnetyczny - najpopularniejsze narzędzie pamięci pomocniczej
  • * podstawowy problem z pamięcią operacyjną - jest zbyt mała i ulotna (traci zawartość po odłączeniu zasilania)

  

  • dysk magnetyczny
    • powierzchnia płyty jest logicznie podzielona na ścieżki, które składają się z sektorów
    • zbiór ścieżek przy danym położeniu ramienia dysku tworzy cylinder
    • szyna wejścia - wyjścia łączy napęd dysku z komputerem
    • 2 sterowniki kontrolują przesyłanie danych: sterownik macierzysty oraz sterownik dysku
    • kilka rodzajów szyn, np. EIDE, SCSI
      • ATA                  - 33 Mbajt/sec
      • Ultra SCSI        - 40 Mbajt/sec
      • Ultra 2SCSI      - 80 Mbajt/sec
      • FibreChannel    - 100 Mbajt/sec
      • czas poszukiwania ścieżki: 6 ÷ 10 ms

       

  • taśma magnetyczna
    • przechowuje wielkie ilości danych (20 razy więcej niż na dysku)
    • długi czas dostępu
    • używa się ją do przechowywania informacji rzadko używanych.

• Hierarchia pamięci

• hierarchia pamięci wg.: szybkości, kosztu, ulotności.
• stosowanie pamięci podręcznej: kopiowanie informacji do szybszych roszajów pamięci; pamięć operacyjną można uznać za szybszą pamięć podręczną dla pamięci pomocniczej

• Ochrona sprzętowa
  • Dualny tryb operacji:
    • sprzęt posiada środki pozwalające na rozróżnianie rozmaitych trybów pracy:
      • tryb użytkownika,
      • tryb monitora,
    • w sprzęcie istnieje bit, którego stan wskazuje na bieżący tryb pracy monitora (0) lub użytkownika (1) 
    • za każdym razem po wystąpieniu pułapki lub przerwania sprzęt zmienia tryb pracy z trybu użytkownika na tryb monitora
    • dualny tryb działania komputera jest uzupełniany za pomocą środków sprzętowych umożliwiających monitorowanie wykonania potencjalnie niebezpiecznych rozkazów -  rozkazów uprzywilejowanych wykonywanych tylko w trybie monitora.
  • Ochrona wejścia - wyjścia:
    • wszystkie rozkazy WE/WY są uprzywilejowane (użytkownicy nie mogą ich używać bezpośrednio, lecz tylko za pośrednictwem SO)
    • należy mieć pewność, że program użytkownika nigdy nie przejmie kontroli nad komputerem w trybie pracy monitora (np. poprzez umieszczenie nowego adresu w wektorze przerwań)

    

  • Ochrona pamięci:
    • ochronę pamięci należy zapewnić przynajmniej poprzez ochronę wektora przerwań i ochronę systemowych procedur obsługi przerwań,
    • ochronę pamięci można uzyskać używając dwóch rejestrów określających zakres legalnych adresów programu
      • rejestr bazowy - przechowuje najmniejszy dopuszczalny adres fizycznej pamięci
      • rejestr graniczny - zawiera rozmiar obszaru pamięci
    • każdy adres wygenerowany w trybie pracy użytkownika jest porównywany sprzętowo z zawartością w/w rejestrów

    

    • jakiekolwiek usiłowanie programu pracującego w trybie użytkownika uzyskania dostępu do pamięci monitora lub programu innego użytkownika kończy się przejściem do trybu monitora
    • w trybie monitora SO ma nieograniczony dostęp do pamięci monitora i użytkowników
    • instrukcje ładowania obu rejestrów są rozkazami uprzywilejowanymi
  • Ochrona jednostki centralnej
    • czasomierz - powoduje przerwanie po upływie określonego okresu (kwantu) czasu, po to aby SO mógł podtrzymywać kontrolę systemu
      • okres czasu może być stały, (np. 1/60 s lub zmienny, np. od 1ms do 1s z przyrostami co 1 ms)
      • po każdym przerwaniu generowanym przez czasomierz sterowanie jest przekazywane SO, a licznik czasomierza jest pomniejszany o jednostkę
      • gdy licznik osiągnie wartość 0, SO kończy program
    • czasomierz jest powszechnie używany przy implementacji systemów z podziałem czasu
    • czasomierz jest jest używany do wyznaczania bieżącego czasu w niektórych komputerach
    • ładowanie stanu początkowego czasomierza jest rozkazem uprzywilejowanym

• Ogólna architektura systemu
  • dualny tryb operacji oparty na koncepcji rozkazów uprzywilejowanych, wykonywanych w trybie monitora
  • rozkazy uprzywilejowane: rozkazy zmieniające zawartość rejestrów zarządzania pamięcią lub rejestrów czasomierza, rozkaz halt (zatrzymaj komputer), rozkaz przejścia z trybu użytkownika do trybu monitora
  • rozkazy; WE/WY - jako uprzywilejowane mogą być wykonywane tylko przez SO; Jak więc program użytkownika wykonuje rozkazy WE/WY?
  • program użytkownika musi poprosić monitor, aby wykonał taką operację w jego imieniu
    • taka prośba nosi nazwę wywołania systemowego (system call) (lub wywołania monitora, lub wywołania funkcji SO)
    • przyjmuje ono zwykle postać przejścia do określonej komórki w wektorze przerwań
    • przejście to może być wykonane za pomocą ogólnego rozkazu trap
    • wywołanie systemowe jest traktowane przez sprzęt tak jak przerwanie programowe

    

  • za pośrednictwem wektora przerwań sterowanie jest przekazywane do odpowiedniej procedury obsługi w SO, a bit trybu zostaje przełączony w tryb monitora
  • monitor sprawdza parametry wywołania systemowego, określające rodzaj usługi jaka ma być wykonana
  • jeżeli te parametry są prawidłowe i legalne, monitor wykonuje dane zapotrzebowanie na usługę, a następnie przekazuje sterowanie do instrukcji programu, która miała być wykonana bezpośrednio przed wywołaniem systemowym

<<< THE END >>>