Засоби апаратної підтримки ОС

Чіткої межі між програмною і апаратною реалізацією функцій ОС не існує — рішення про те, які функції ОС виконуватимуться програмно, а які апаратно, приймається розробниками апаратного і програмного забезпечення комп'ютера. Проте практично всі сучасні апаратні платформи мають деякий типовий набір засобів апаратної підтримки ОС, в який входять наступні компоненти:

ü засоби підтримки привілейованого режиму;

ü засоби трансляції адрес;

ü засоби перемикання процесів;

ü система переривань;

ü системний таймер;

ü засоби захисту областей пам'яті.

Засоби підтримки привілейованого режиму для реалізації привілейованого режиму процесора в одному з його регістрів передбачено спеціальний біт, котрий показує, у якому режимі перебуває процесор. У разі програмного чи апаратного переривання процесор автоматично перемикається у привілейований режим.

Засоби трансляції адрес виконують операції перетворення віртуальних адрес, які містяться в кодах процесу, на адреси фізичної пам'яті. Таблиці, призначені при трансляції адрес, звичайно мають великий об'єм, тому для їх зберігання використовуються області оперативної пам'яті, а апаратура процесора містить тільки покажчики на ці області. Засоби трансляції адрес використовують дані покажчики для доступу до елементів таблиць і апаратного виконання алгоритму перетворення адреси, що значно прискорює процедуру трансляції в порівнянні з її чисто програмною реалізацією.

Засоби перемикання процесів призначені для швидкого збереження контексту процесу, що припиняється, і відновлення контексту процесу, який стає активним. Вміст контексту звичайно включає вміст всіх регістрів загального призначення процесора, регістра прапорів операцій (тобто прапорів нуля, перенесення, переповнювання і т. п.), а також тих системних регістрів і покажчиків, які пов'язані з окремим процесом, а не операційною системою, наприклад покажчика на таблицю трансляції адрес процесу. Для зберігання контекстів припинених процесів звичайно використовуються області оперативної пам'яті, які підтримуються покажчиками процесора.

Перемикання контексту виконується по певних командах процесора, наприклад по команді переходу на нову задачу. Така команда викликає автоматичне завантаження даних із збереженого контексту в регістри процесора, після чого процес продовжується з перерваного раніше місця.

Система переривань дозволяє комп'ютеру реагувати на зовнішні події, синхронізувати виконання процесів і роботу пристроїв введення-виведення, швидко переходити з однієї програми на іншу. Механізм переривань потрібен для того, щоб оповістити процесор про виникнення в обчислювальній системі деякої непередбачуваної події або події, яка не синхронізована з циклом роботи процесора. Прикладами таких подій можуть служити завершення операції введення-виведення зовнішнім пристроєм (наприклад, запис блоку даних контролером диска), некоректне завершення арифметичної операції (наприклад, переповнювання регістра), закінчення інтервалу астрономічного часу. При виникненні умов переривання його джерело (контролер зовнішнього пристрою, таймер, арифметичний блок процесора і т. п.) виставляє певний електричний сигнал. Цей сигнал перериває виконання процесором послідовності команд, що задається виконуваним кодом, і викликає автоматичний перехід на початок певної процедури, звану процедурою обробки переривань. У більшості моделей процесорів відпрацьовуваний апаратурою перехід на процедуру обробки переривань супроводжується заміною слова стану машини (або навіть всього контексту процесу), що дозволяє одночасно з переходом за потрібною адресою виконати перехід в привілейований режим. Після завершення обробки переривання звичайно відбувається повернення до виконання перерваного коду.

Переривання бувають двох типів: апаратні та програмні.

Апаратне переривання – це спеціальний сигнал, що передається процесору від апаратного пристрою. До апаратних переривань належать:

ü переривання введення-виведення, що надходять від контролера периферійного пристрою; наприклад, таке переривання генерує контролер клавіатури при натисканні на клавішу

ü переривання, пов’язані з апаратними або програмними помилками (такі переривання виникають, наприклад, у разі збою контролера диска, доступу до забороненої області пам'яті або ділення на нуль).

Програмні переривання генерує прикладна програма, виконуючи спеціальну інструкцію переривання. Така інструкція є в системі команд більшості процесорів.

Переривання виконують найважливішу роль в роботі будь-якої операційної системи, будучи її рушійною силою. Дійсно, велика частина дій ОС ініціюється перериваннями різного типу. Навіть системні виклики від додатків виконуються на багатьох апаратних платформах за допомогою спеціальної інструкції переривання, що викликає перехід до виконання відповідних процедур ядра (наприклад, інструкція int в процесорах Intel або SVC в мейнфреймах IBM).

Системний таймер, часто реалізований у вигляді швидкодіючого регістра-лічильника, необхідний операційній системі для витримки інтервалів часу. Для цього в регістр таймера програмно завантажується значення необхідного інтервалу в умовних одиницях, з якого потім автоматично з певною частотою починає відніматися по одиниці. Частота «тиків» таймера, як правило, тісно пов'язана з частотою тактового генератора процесора. (Не слід плутати таймер ні з тактовим генератором, який виробляє сигнали, що синхронізують всі операції в комп'ютері, ні з системним годинником — працюючій на батареях електронній схемі, — які ведуть незалежний відлік часу і календарної дати.) Досягши нульового значення лічильник таймер ініціює переривання, яке обробляється процедурою операційної системи. Переривання від системного таймера використовуються ОС в першу чергу для стеження за тим, як окремі процеси витрачають час процесора. Наприклад, в системі розділення часу при обробці чергового переривання від таймера планувальник процесів може примусово передати управління іншому процесу, якщо даний процес вичерпав виділений йому квант часу.

Засоби захисту областей пам'яті забезпечують на апаратному рівні перевірку можливості програмного коду здійснювати з даними певної області пам'яті такі операції, як читання, запис або виконання (при передачах управління). Якщо апаратура комп'ютера підтримує механізм трансляції адрес, то засоби захисту областей пам'яті вбудовуються в цей механізм. Функції апаратури по захисту пам'яті звичайно полягають в порівнянні рівнів привілеїв поточного коду процесора і сегменту пам'яті, до якого виробляється обіг.

Поиск по сайту: