Понятие о мультипрограммном режиме работы Компьютеры, видимо, представляют собой наиболее интеллектуальное из всех
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
Глава 13. Понятие о мультипрограммном режиме работы … Компьютеры, видимо, представляют собой наиболее интеллектуальное из всех человеческих изобретений, поэтому и ремесло программиста является самым сложным из всех известных. Дж. Бирнбаум Надо отметить, что самые первые программисты работали непосредственно за пультом ЭВМ, в своеобразном диалоговом режиме. Правда, в отличие от персональных ЭВМ, работа была не в при- вычном нам сейчас графическом или текстовом интерфейсе, а непосредственно в двоичном коде. Лампочки на пульте ЭВМ высвечивали значения всех регистров (горит – единица, не горит – ноль), для удобства лампочки разбивались на группы по три или четыре, что позволяло "в уме" работать с машинными словами в 8-ной или 16-ной системе счисления. Специальная кнопка включала трасси- ровку программы, при этом машина останавливалась после выполнения каждой команды. На особом регистре можно было набрать двоичный адрес останова (break point), при попадании в который ма- шина останавливала свою работу и т.д. Всё это очень напоминало работу в первых (двоичных) отлад- чиках. Время было весёлое, ЭВМ содержала порядка 20000 электронных ламп, в среднем каждые пол- часа одна лампа перегорала и приходилось звать инженера для ремонта . Каждые 15 минут прихо- дилось делать так называемую контрольную точку, т.е. запоминать текущее состояние программы, чтобы можно было возобновить счет с этой точки при аварийном останове ЭВМ. Кроме того, из за частых сбоев в работе самой аппаратуры приходилось каждый такой участок программы просчиты- вать дважды, сверяя результаты между собой. Затем из экономических соображений такой режим работы стал нерациональным, так как про- граммисты слишком долго искали и исправляли ошибки в своих программах или анализировали ре- зультаты расчетов, и в это дорогая время ЭВМ простаивала. Тогда и появился новый, пакетный ре- жим работы (batch mode), и программистов перестали пускать в машинный зал за пульт ЭВМ. Пакетный режим подразумевал, что подлежащие счету программы собираются в некоторый "па- кет" (для ЭВМ первых поколений это был деревянный или металлический ящик, наполненный про- граммами, каждая программа была в отдельной пачке картонных перфокарт, скрепленной резинка- ми). Программистам, "отлучённым" от пульта ЭВМ, теперь приходилось вставлять в свои программы многочисленные отладочные выдачи на печать. Анализируя потом эти выдачи, они пытались найти и исправить ошибки, после чего опять отдавали свою программу на счёт. За день многие ухитрялись просчитать свою программу несколько раз. А ночью на счёт ставились уже отлаженные программы... Сейчас пакетный режим используется в основном на супер-ЭВМ, где запущенные программы выполняются на выделенных им ресурсах (ядрах) пока не закончатся, без того, чтобы эти ресурсы передавались другим программам. Одним из принципов фон Неймана, как известно, является принцип последовательного выполне- ния команд программы. Более того, архитектура машин фон Неймана предполагает, что последова- тельно выполняются не только команды текущей программы, но также и сами эти программы. Дру- гими словами, пока одна программа полностью не заканчивается, следующая программа не загружа- ется в память и не начинает выполняться. Именно так и работали первые ЭВМ (вспомните, как рабо- тала описанная ранее учебная ЭВМ УМ-3). Сейчас познакомимся с весьма важным понятием – мультипрограммным (иногда говорят, много- программным) режимом работы ЭВМ. Мультипрограммный режим работы означает, что в оператив- ной памяти компьютера одновременно находятся несколько независимых друг от друга и готовых к счету программ пользователей, времена выполнения которых могут перекрываться. 1 Стоит также за- метить, что при мультипрограммном режиме работы в памяти ЭВМ одновременно могут находиться не только программы разных пользователей, но и несколько независимых программ одного пользова- 1 Эти программы, вообще говоря, могут присутствовать в оперативной памяти не целиком. Во-первых, они могут использовать изученную ранее схему динамической загрузки библиотек, и, во-вторых, работать на так называемой виртуальной памяти, при этом некоторые части программы могут временно отсутствовать в опера- тивной памяти, находясь в специальном файле подкачки (swap file) на внешней памяти. теля. Независимость программ означает, что они автоматически не обмениваются между собой дан- ными в процессе счета (через общие секции данных, файлы или как-нибудь ещё), т.е. они одновре- менно не решают одну общую задачу. Как Вы уже наверно знаете, компьютеры принято делить на поколения. Мультипрограммный режим работы появился только на ЭВМ, начиная с 3-го поколения, на первых компьютерах его не было [3]. Сначала предстоит разобраться, а для чего вообще может потребоваться, чтобы в памяти одновременно находилось несколько программ пользователей. Этот вопрос вполне естественный, так как раньше у большинства компьютеров был только один (центральный) процессор, так что одно- временно могли выполняться команды только одной программы, а остальные программы в это время будут просто занимать место в оперативной памяти и ничего не делать. Частично уже была обоснована необходимость присутствия в оперативной памяти нескольких программ, когда изучалась система прерываний. Как правило, при возникновении прерывания про- цессор производит автоматическое переключение на некоторую другую программу, которая тоже, конечно, должна при этом находиться в оперативной памяти. Здесь, однако, можно возразить, что все программы, на которые производится автоматическое переключение при прерывании, являются сис- темными программами (входят в операционную систему), а при определении мультипрограммного режима работы особо подчеркивалось, что в оперативной памяти могут одновременно находиться несколько разных программ обычных пользователей. На ЭВМ первых поколений "обычным" пользователям разрешалось писать свои собственные процедуры-обработчики прерываний, однако в операционных системах современных ЭВМ это, как правило, запрещено. Причина такого запрета будет понятна из дальнейшего изложения мультипро- граммного режима работы ЭВМ. Вместо этого, программа пользователя может попросить операци- онныу систему при возникновении исключительной ситуации в своей программе не вызывать стан- дартную процедуру обработки этого события, а предварительно вызвать свою собственную процеду- ру, которая попытается сама разобраться в возникшей ошибке и попробует испрвавить её. Следует указать две основные причины, по которым может понадобиться мультипрограммный режим работы. Во-первых, может потребоваться одновременно выполнять несколько программ. На- пример, это могут быть программы, которые в диалоговом режиме работают с разными пользовате- лями (программисты Вася и Петя одновременно с разных терминалов (разных консолей), подклю- ченных к одной ЭВМ, отлаживают свои программы, см. рис. 13.1). Оперативная память Программа Васи Программа Пети Программы операци- онной системы Рис. 13.1. Одновременное нахождение в оперативной памяти нескольких программ разных пользователей. Правда, здесь имеет место уже упомянутая ранее трудность: так как процессор на компьютере может быть только один, то в каждый момент времени может выполняться или программа Васи, или программа Пети (ну, или служебная программа операционной системы при обработке прерывания). Эта трудность преодолевается введением специального режима работы ЭВМ – режима разделения времени, который является частным случаем мультипрограммного режима. 1 В режиме разделения времени, используя сигналы прерывания от встроенных в компьютер часов (таймера), служебная 1 Во многих ОС режим разделения времени называется режимом вытесняющей (preemptive) многоза- дачности . Имеется ввиду, что один процесс (задача) по истечению кванта времени принудительно вытесняет (заменяет) процесс, выполняющийся в настоящее время. Более ранние ОС работали в режиме не вытесняю- щей многозадачности, при этом новый процесс начинал выполняться, только если прежний процесс уходил в режим ожидания (добровольно отдавал управление) или заканчивался. программа-диспетчер переключает процессор с одной задачи пользователя на другую по истечении определенного кванта времени (time slice), обычно порядка единиц или десятков миллисекунд. В та- ком режиме разделения времени (в русскоязычной литературе этот режим иногда метко называли коммунальным использованием ресурсов ЭВМ) и у Васи, и у Пети создаётся иллюзия, что только его программа все время считается на компьютере (правда, почему-то медленно ). На рис. 13.2 показана временнáя диаграмма переключения работы процессора ЭВМ между нахо- дящимися в памяти программами. Программа Васи Программа Пети Программа ОС t Рис. 13.2. Диаграмма загрузки процессора ЭВМ (t – время) Если отвлечься от несколько надуманного примера с Васей и Петей, то можно отметить, что по- требность в таком псевдо-одновременном счете нескольких программ на компьютере с одним цен- тральным процессором весьма распространена. Пусть, например, наш компьютер предназначен для управления несколькими различными химическими реакторами на каком-нибудь заводе, или обслу- живает запросы сразу многих абонентов в библиотеке и т.д. 1 Заметим, что даже если центральных процессоров на компьютере несколько (сейчас даже на персональных ЭВМ, планшетах и смартфонах широко распространены многоядерные процессоры), но одновременно находящихся в памяти задач может быть много больше, чем процессоров, поэтому этот вопрос по-прежнему актуален. 2 Другая причина широкого распространения мультипрограммного режима заключается в сле- дующем. Наряду с главной частью – процессором и оперативной памятью – в компьютере существу- ет и большое количество так называемых периферийных (внешних) устройств, это диски, клавиатура, мышь, печатающие устройства, сетевые карты и т.д. (см. рис. 13.3). Все эти периферийные устройст- ва предназначены для связи центральной части машины с "внешним миром", и работают значительно медленнее, чем процессор и оперативная память. Имеется в виду, что все они значительно медленнее манипулируют данными. Например, за то время, за которое лазерный принтер напечатает на бумаге всего один символ, оперативная память способна выдать процессору миллионы байт, а сам процессор способен за это время выполнить миллионы команд. Диск и Сеть Мышь Клавиатура Дисплей Оперативная память П ечать Центральный процессор Рис. 13.3. Центральная и периферийная части компьютера. Из этих соображений, очевидно, что в то время, когда по запросу некоторой программы произво- дится обмен данными с медленными внешними устройствами, процессор, как правило, не сможет выполнять команды этой программы, т.е. будет простаивать. Например, рассмотрим случай, когда в программе Васи, написанной на Паскале, выполняются операторы: 1 Предполагается, что экономически нецелесообразно использовать в этом случае отдельные ЭВМ. 2 Вызвав диспетчер задач операционной системы можно увидеть, что задач (процессов) много больше, чем ядер (правда, бóльшая часть из них системные и находятся в состоянии ожидания). Read(MyFile,X); Y:=X+1 Очевидно, что оператор присваивания Y := X +1 не сможет начать выполняться, пока из файла не будет прочитано значение переменной X . При описании языка высокого уровня обычно говориться, что при выполнении операции ввода/вывода вычислительный процесс блокируется , т.е. переводит- ся в состояние ожидания завершения этого ввода/вывода. Вот здесь нам и пригодится способность программы-диспетчера переключаться на выполнение других программ пользователей, тоже расположенных в оперативной памяти. Теперь, пока одна про- грамма пользователя выполняет свои команды на центральном процессоре, другая может выводить свои данные на принтер, третья – читать массив с диска в оперативную память, четвертая – ждать ввода символа с клавиатуры и т.д. Правда, для того, чтобы обеспечить такую возможность, мало на- личия на компьютере одной системы прерываний. Прежде всего, необходимо научить периферийные устройства компьютера работать параллельно и относительно независимо от центрального процессо- ра. Действительно, вспомните, что в машине фон Неймана всеми операциями с внешними устройст- вами управлял именно центральный процессор по командам ввода/вывода, посылая им особые управляющие сигналы, которые изображались на схеме одинарными стрелками. Естественно, зани- маясь этой работой (т.е. выполняя команду ввода/вывода), центральный процессор уже не мог вы- полнять команды какой-либо другой программы. Итак, обоснована полезность режима мультипрограммирования. Как уже говорилось, на первых ЭВМ этого режима работы не было. Сейчас будут сформулированы необходимые требования, кото- рые предъявляются к аппаратуре компьютера, чтобы на этом компьютере было возможно реализо- вать мультипрограммный режим работы. Сначала надо заметить, что требование параллельной работы процессора и периферийных уст- ройств не является совершенно необходимым для режима разделения времени, который, как уже го- ворилось, является частным случаем мультипрограммного режима работы. Поэтому это требование не будет включаться в перечень обязательных свойств аппаратуры ЭВМ для обеспечения работы в мультипрограммном режиме. Надо, однако, отметить, что параллельная работа периферийных уст- ройств и процессора сильно повышает производительность компьютера и реализована практически на всех современных ЭВМ. 13.1. Требования к аппаратуре для обеспечения возможности работы в мультипрограммном режиме Прежде чем что-то требовать, поду- май, как ты с этим справишься. Галина Гончарова. «Домашняя работа» Итак, сформулируем необходимые требования к аппаратуре ЭВМ для обеспечения возможности мультипрограммной работы. Надо особо подчеркнуть, что это требования именно к аппаратуре ЭВМ, а не к её программному обеспечению. Система прерываний. Система прерываний необходима как для режима разделения времени, так и для обеспечения параллельной работы процессора и периферийных устройств, так как она обеспе- чивает саму возможность реакции на события и автоматического переключения с одной программы на другую. Механизм защиты памяти. Этот механизм обеспечивает безопасность одновременного нахожде- ния в оперативной памяти нескольких независимых программ. Защита памяти гарантирует, что одна программа не сможет случайно или же предумышленно обратиться в память другой программы (по выполнению, по записи или даже по чтению данных). Очевидно, что без такого механизма мульти- программный режим просто невозможен. Даже если не принимать во внимание "вредных" програм- мистов, которые специально захотят испортить или незаконно прочитать данные других программ, всегда существует большая вероятность таких действий из-за семантических ошибок в программах даже у "добропорядочных" программистов (например, при выходе индекса за границу массива). Не- законное обращение к чужим ресурсам (в частности, к чужой оперативной памяти) "по-научному" называется несанкционированным доступом. Защита оперативной памяти на современных ЭВМ устроена весьма сложно, и часто связана с ме- ханизмом, так называемой (сегментно-страничной) виртуальной памяти, который в полном объеме изучается в курсе, посвященном операционным системам. Сейчас будет рассмотрена одна из про- стейших реализаций механизма защиты памяти, так эта защита была сделана на некоторых первых простых ЭВМ 3-го поколения, способных работать в мультипрограммном режиме. В процессор добавляются два новых регистра защиты памяти, обозначим их А нач и А кон . На каж- дый из этих регистров можно загрузить любой адрес оперативной памяти (или адрес начала и конца любого сегмента при сегментной организации памяти). Предположим теперь, что после загрузки не- которой программы в оперативную память она занимает сплошной участок памяти с адресами от 200000 10 до 500000 10 включительно. Тогда загрузчик, перед передачей управления на первую команду программы (у нас это часто была команда с меткой Start ), присваивал регистрам защиты памяти соответственно значения mov А нач ,200000 и mov А кон ,500000 Далее, в процессор добавлена способность, перед каждым обращением в оперативную память по физическому адресу А физ автоматически проверять условие А нач А физ А кон Если условие истинно, т.е. программа обращается в свою область памяти, выполняется требуе- мое обращение к памяти по записи или чтению команд и данных. В противном случае доступ в опе- ративную память не производится, и процессор вырабатывает сигнал прерывания по событию "по- пытка нарушения защиты памяти". Описанный механизм защиты памяти очень легко реализовать, однако он обладает существен- ным недостатком: каждая программа может занимать только один сплошной участок в оперативной памяти. В современных ЭВМ это ограничение несущественно, так как на них реализован уже упоми- навшийся механизм виртуальной памяти, который позволяет выделять для каждой программы любые участки адресов памяти, независимо от того, заняты ли эти, как говорят, логические адреса другими программами или нет. С другой стороны, если реализован механизм виртуальной памяти, то на его базе легко сделать и другой, более совершенный механизм защиты памяти. Аппарат привилегированных команд. Сейчас рассмотрим еще одно необходимое свойство аппа- ратуры, без которого невозможно реализовать мультипрограммный режим работы ЭВМ. Это свойст- во иногда называется аппаратом привилегированных команд, а иногда – защищённым режимом рабо- ты процессора, и заключается оно в следующем: все команды, которые может выполнять процессор, разбиваются на два класса. Команды из одного класса называются обычными командами или коман- дами пользователя, а команды из другого класса – привилегированными или запрещёнными коман- дами. Далее, в процессоре на каком-то регистре располагается признак режима работы (CPU mode). Значение этого признака и определяет тот режим, в котором в данный момент работает процессор: обычный режим пользователя (user mode) или привилегированный режим. Привилегированный ре- жим часто называют режимом супервизора (supervisor mode) или режимом ядра ОС (kernel mode). В архитектуре x86 текущий режим работы процессора обозначается CPL ( C urrent P rivilege L evel), он находится в двух младших битах селектора в сегментном регистре CS В привилегированном режиме процессору разрешается выполнять все команды языка машины, а в режиме пользователя – только обычные (не привилегированные) команды. 1 При попытке выпол- нить привилегированную команду в пользовательском режиме процессором вырабатывается сигнал прерывания, а сама команда, естественно, не выполняется. Из этого правила выполнения команд лег- ко понять и другое название для привилегированных команд – запрещённые команды, так как их вы- полнение запрещено в режиме пользователя. Объясним теперь, почему без аппарата привилегиро- ванных команд невозможно реализовать мультипрограммный режим работы ЭВМ. Легко понять, что, например, команды пересылки, которые для рассмотренного выше механизма защиты памяти заносят на регистры защиты А нач и А кон новые значения, должны быть привилегиро- ванными. Действительно, если бы это было не так, то любая программа могла бы занести на эти реги- стры адреса начала и конца всей оперативной памяти, после чего получила бы возможность записы- 1 Как уже говорилось, привилегия на выполнение команд ввода/вывода ( sti , cli , in , out и некоторых других) определяется не CPL, а полем IOPL ( I / O P rivilege L evel – уровень привилегий ввода-вывода) в 12-ом и 13-ом битах регистра флагов. Таким образом, в нашей архитектуре существуют два класса привилегированных команд. вать данные в любые области памяти. Ясно, что при этом и описанный выше механизм защиты памя- ти становится совершенно бесполезным. Привилегированными должны быть и все команды, которые обращаются к внешним (перифе- рийным) устройствам. Например, нельзя разрешать запись на диск в режиме пользователя, так как диск – это тоже общая память для всех программ, только внешняя, и одна программа может испор- тить на диске данные (файлы), принадлежащие другим программам. То же самое относится и к печа- тающему устройству: если разрешить всем программам бесконтрольно выводить свои данные на пе- чать, то, конечно, разобраться в том, что же получится на бумаге, будет чаще всего невозможно. По- этому, если работающие в мультипрограммном режиме программы Васи и Пети производят вывод на общий принтер, то на самом деле данные, которые печатает каждая программа пользователя, не вы- водятся сразу на печать, а записываются в специальный файл, который обычно будет выводиться на печать только после полного завершения этой программы. Таким образом, выводимые на печать дан- ные Васи и Пети не перепутаются. Итак, в мультипрограммном режиме программе пользователя запрещается выполнять многие "опасные" команды, в частности команды, работающие с внешними устройствами (дисками, принте- рами, линиями связи и т.д.). 1 Как же тогда быть, если программе необходимо, например, считать дан- ные из своего файла на диске в оперативную память? Выход один – программа пользователя должна обратиться к служебным процедурам, с просьбой выполнить для неё ту работу, которую сама про- грамма пользователя сделать не в состоянии. Эти служебные процедуры, естественно, должны рабо- тать в привилегированном режиме. Перед выполнением запроса из программы пользователя, такая служебная процедура проверяет, имеет ли эта программа пользователя право на запрашиваемое дей- ствие, например, что эта программа имеет необходимые полномочия на чтение из указанного файла. Переключение из привилегированного режима в режим пользователя обычно с помощью некото- рой команды или изменением определённого флага в управляющем регистре ЭВМ. Значительно сложнее обстоит дело с такой опасной операцией, как переключение процессора из обычного режима работы в привилегированный режим. Это переключение невозможно выполнить какой-либо машин- ной командой (чтобы это понять, достаточно задаться вопросом, должна ли сама эта команда пере- ключения быть привилегированной, или нет). Обычно переключение в привилегированный режим производится автоматически при обработке процессором сигнала прерывания, в этом случае проце- дура-обработчик прерывания начинает свою работу уже в привилегированном режиме. Иногда пере- ключение в привилегированный режим производится процессором при дальнем вызове системных процедур, которые имеют полномочия для работы в привилегированном режиме. 2 Таймер. Встроенные в компьютер электронные часы (таймер) появились еще до возникновения мультипрограммного режима работы. Тем не менее, легко понять, что без таймера мультипрограмм- ный режим тоже невозможен. Действительно, это единственное внешнее устройство, которое гаран- тированно и периодически посылает процессору сигналы прерываний. Без таких сигналов некоторые программы могли бы войти в выполнение бесконечного цикла (зациклиться), и ничто не могло бы вывести компьютер из этого состояния. 3 Итак, были рассмотрены аппаратные средства, необходимые для обеспечения мультипрограмм- ного режима работы ЭВМ. Остальные аппаратные возможности ЭВМ, которые часто называются при ответе на этот вопрос (такие, как большая оперативная память, высокое быстродействие процессора, большая емкость дисков и другие) являются, конечно, желательными, но не являются необходимыми. Разумеется, кроме перечисленных аппаратных средств, для обеспечения мультипрограммной ра- боты совершенно необходимы и специальные программные средства, прежде всего операционная система, поддерживающая режим мультипрограммной работы. Такая операционная система является 1 Как уже говорилось, некоторые периферийные устройства могут отдаваться в монопольное использо- вание некоторой задаче, все номера портов этого устройства помечаются нулями в битовой карте разрешения ввода-вывода (I/O Permission Bit Map) этой задачи, о чём будет рассказано в другой главе. 2 Как уже упоминалось, процессор производит это переключение при вызове процедуры-обработчика че- рез шлюз задачи (Task Gate), или вызове системной функции через шлюз вызова (Call Gate). 3 Обычно при счете в мультипрограммном режиме программа пользователя может сообщить операцион- ной системе свое максимальное время счета. Это не физическое время, а сумма всех квантов времени централь- ного процессора, выделяемых для этой задачи. Можно сказать, что программа заводит для себя "будильник", на котором выставляется отведенное ей время работы. По истечению этого максимального времени счета про- грамма пользователя получит соответствующий сигнал и может быть завершена. примерно на порядок более сложной, чем её предшественницы – операционные системы, не поддер- живающие мультипрограммный режим работы. Все это, однако, отдельная тема, а нам надо продол- жить изучение архитектуры ЭВМ. Вопросы и упражнения 1. Что такое пакетный режим работы ЭВМ и для чего он нужен ? 2. Дайте определение мультипрограммного режима работы ЭВМ. Когда этот режим необходим ? 3. Что такое режим разделения времени и для чего он нужен ? 4. Почему полезна параллельная работа процессора и устройств ввода/вывода ? 5. Что такое аппарат привилегированных команд и почему он необходим для мультипрограмм- ного режима работы ЭВМ ? 6. Какие команды машины необходимо делать привилегированными ? 7. Почему в языке машины не может существовать команды для переключения процессора из обычного режима работы в привилегированный режим ? 8. Что такое таймер и почему он необходим в мультипрограммном режиме работы ? 9. Объясните, почему на рис. 13.2 между счетом любых двух программ пользователей процессор обязательно на некоторое время переключается на программу операционной системы ? |