Несмотря на различия в деталях, сегодня существует достаточно большое количество ОС, которые могут работать на различных аппаратных платформах без внесения существенных изменений в свой состав. Во многом это объясняется тем, что в настоящее время средства аппаратной поддержки ОС большинства компьютеров приобрели типовые черты, а именно, эти средства в первую очередь влияют на работу компонентов ОС. Как следствие, в ОС можно выделить достаточно компактный слой машинно-зависимых компонентов ядра и сделать остальные части ОС общими для разных аппаратных платформ.
Как уже отмечалось ранее, решение о том, какие функции ОС будут выполняться программно, а какие аппаратно, принимается разработчиками ОС, поэтому не существует четкого разделения между программной и аппаратной реализацией функций ОС. Несмотря на это, практически все современные аппаратные платформы имеют некоторый типичный набор средств аппаратной поддержки ОС, в который входят следующие компоненты:
– средства поддержки привилегированного режима;
– средства трансляции адресов;
– средства переключения процессов;
– система прерываний;
– системный таймер;
– средства защиты областей памяти.
Средства поддержки привилегированного режима обычно основаны на системном регистре процессора, часто называемом “ словом состояния ” машины или процессора. Этот регистр содержит некоторые признаки, определяющие режимы работы процессора, в том числе и признак текущего режима привилегий. Смена режима привилегий осуществляется за счет изменения слова состояния машины в результате прерывания или выполнения привилегированной команды. Число уровней привилегий может быть разным у разных типов процессоров, однако, наиболее часто используется либо два уровня (ядро–пользователь), либо четыре (например, ядро–супервизор–выполнение–пользователь у платформы VAX, или 0–1–2–3 у процессоров Intel x86/Pentium). В обязанности средств поддержки привилегированного режима входит проверка допустимости выполнения активной программой инструкций процессора при текущем уровне привилегированности.
Средства трансляции адресов выполняют операции преобразования виртуальных адресов, которые содержатся в кодах процесса, в адреса физической памяти. Таблицы, предназначенные для трансляции адресов, обычно имеют большой объем, поэтому они хранятся в оперативной памяти, а аппаратура процессора использует только указатели на эти области. Средства трансляции адресов применяют данные указатели для доступа к элементам таблиц и аппаратного выполнения алгоритма преобразования адреса, что значительно ускоряет процедуру трансляции по сравнению с ее чисто программной реализацией.
Средства переключения процессов предназначены для быстрого сохранения контекста приостанавливаемого процесса и восстановления контекста процесса, который становится активным. Контекст обычно включает содержимое всех регистров общего назначения процессора, регистра флагов операций (то есть флагов нуля, переноса, переполнения и т.п.), а также тех системных регистров и указателей, которые связаны с отдельным процессом, а не ОС, например, указателя на таблицу трансляции адресов процесса. Для хранения контекстов приостановленных процессов обычно используются области оперативной памяти, которые поддерживаются указателями процессора. Переключение контекста выполняется по определенным командам процессора, например, по команде перехода на новую задачу. Такая команда вызывает автоматическую загрузку данных из сохраненного контекста в регистры процессора, после чего процесс продолжается с прерванного ранее места.
Система прерываний позволяет компьютеру реагировать на внешние события, синхронизировать выполнение процессов и работу устройств ввода-вывода, быстро переходить с одной программы на другую. Прерывание – это временное прекращение выполнения команд программы с сохранением информации о ее текущем состоянии и передачей управления специальной программе – обработчику прерываний. Механизм прерываний, таким образом, нужен для того, чтобы оповестить процессор о возникновении в вычислительной системе некоторого непредсказуемого события, которое не синхронизировано с циклом работы процессора. Примерами таких событий могут служить завершение операции ввода-вывода внешним устройством (такой, как запись блока данных контроллером диска), некорректное завершение арифметической операции (такой, как переполнение регистра), истечение интервала астрономического времени. Когда выполняются все необходимые для возникновения прерывания условия, его источник (контроллер внешнего устройства, таймер, арифметический блок процессора и т.п.) выставляет определенный электрический сигнал. Этот сигнал останавливает выполнение процессором последовательности команд, задаваемой исполняемым кодом, и вызывает автоматический переход на заранее определенную процедуру, называемую процедурой обработки прерываний. В большинстве моделей процессоров переход на процедуру обработки прерываний сопровождается заменой слова состояния машины (или даже всего контекста процесса), что позволяет одновременно с переходом по нужному адресу выполнить переход в привилегированный режим. После завершения обработки прерывания обычно происходит возврат к исполнению прерванного кода. Прерывания играют важную роль в работе любой ОС, являясь ее движущей силой. Действительно, большая часть действий ОС инициируется прерываниями различного типа. Даже системные вызовы от приложений выполняются на многих аппаратных платформах с помощью специальной инструкции прерывания, вызывающей переход к выполнению соответствующих процедур ядра (например, инструкция int в процессорах Intel или SVC в мэйнфреймах IBM). Более подробно о механизме прерываний будет рассказано в юните 2 “Управление процессами”.
Системный таймер, часто реализуемый в виде быстродействующего регистра-счетчика, необходим ОС для выдержки интервалов времени. В регистр таймера программно загружается значение требуемого интервала в условных единицах, из которого затем автоматически с определенной частотой начинает вычитаться по единице. Частота “тиков” таймера, как правило, тесно связана с частотой тактового генератора процессора. Заметим, что не следует путать таймер ни с тактовым генератором, вырабатывающем сигналы по синхронизации всех операций в компьютере, ни с системными часами – работающей на батареях электронной схеме, ведущие независимый отсчет времени и календарной даты. При достижении нулевого значения счетчика таймер инициирует прерывание, которое обрабатывается соответствующей процедурой ОС. Прерывания от системного таймера используются ОС в первую очередь для слежения за тем, как отдельные процессы расходуют время процессора. Например, в системе разделения времени при обработке очередного прерывания от таймера планировщик процессов может принудительно передать управление другому процессу, если данный процесс исчерпал выделенный ему квант времени.
И, наконец, средства защиты областей памяти обеспечивают на аппаратном уровне проверку возможности программного кода осуществлять с данными определенной области памяти такие операции, как чтение, запись или выполнение (при передачах управления). Если аппаратура компьютера поддерживает механизм трансляции адресов, то средства защиты областей памяти встраиваются в этот механизм. Функции аппаратуры по защите памяти обычно состоят в сравнении уровней привилегий текущего кода процессора и сегмента памяти, к которому производится обращение.
Мы рассмотрели основные типичные средства аппаратной поддержки ОС, однако одна и та же ОС не может без каких-либо изменений устанавливаться на компьютерах, отличающихся типом процессора или способом организации всей аппаратуры. В модулях ядра ОС отражаются такие особенности аппаратной платформы, как количество типов прерываний, состав регистров общего назначения и системных регистров, состояние которых нужно сохранять в контексте процесса, особенности подключения внешних устройств и многие другие. Опыт разработки ОС показывает: ядро возможно спроектировать таким образом, что только часть модулей будут машинно-зависимыми, а остальные могут не зависеть от особенностей аппаратной платформы. В хорошо структурированном ядре машинно-зависимые модули локализованы и образуют программный слой, естественно примыкающий к слою аппаратуры. Такая локализация машинно-зависимых модулей существенно упрощает перенос ОС на другую аппаратную платформу.
Объем машинно-зависимых компонентов ОС зависит от того, насколько велики отличия в аппаратных платформах, для которых разрабатывается ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, для переноса на машину с 16-битовыми адресами должна быть практически переписана заново. Одно из наиболее очевидных отличий – несовпадение системы команд процессоров – преодолевается достаточно просто. Как правило, современная ОС программируется на языке высокого уровня, а затем соответствующим компилятором вырабатывается код для конкретного типа процессора. Однако во многих случаях различия в организации аппаратуры компьютера лежат гораздо глубже и преодолеть их таким образом не удается. Например, однопроцессорный и двухпроцессорный компьютеры требуют применения в ОС совершенно разных алгоритмов распределения процессорного времени. Аналогично, отсутствие аппаратной поддержки виртуальной памяти приводит к принципиальному различию в реализации подсистемы управления памятью. В таких случаях разработчикам не удается обойтись без внесения в код ОС специфики аппаратной платформы, для которой эта ОС предназначается.
Для уменьшения количества машинно-зависимых модулей производители ОС обычно ограничивают универсальность машинно-независимых модулей. Это означает, что их независимость носит условный характер и распространяется только на несколько типов процессоров и, естественно, созданных на основе этих процессоров аппаратных платформ. По этому пути, например, пошли разработчики Windows NT, ограничив количество типов процессоров, поддерживаемых ОС, четырьмя и поставляя различные варианты кодов ядра для однопроцессорных и многопроцессорных компьютеров.
Для компьютеров, построенных на основе процессоров Intel x86/Pentium, разработка экранирующего машинно-зависимого слоя ОС значительно упрощается за счет наличия встроенной в постоянную память компьютера базовой системы ввода-вывода – BIOS. BIOS содержит драйверы для всех устройств, входящих в базовую конфигурацию компьютера: жестких и гибких дисков, клавиатуры, дисплея и т.д. Эти драйверы выполняют весьма примитивные операции с управляемыми устройствами, например, чтение группы секторов данных с определенной дорожки диска, но за счет этих операций экранируются различия аппаратных платформ персональных компьютеров и серверов на процессорах Intel разных производителей. Разработчики ОС могут пользоваться слоем драйверов BIOS как частью машинно-зависимого слоя ОС либо заменить все или часть драйверов BIOS компонентами ОС.
Таким образом, любая ОС для решения своих задач взаимодействует с аппаратными средствами компьютера, а именно: средствами поддержки привилегированного режима и трансляции адресов, средствами переключения процессов и защиты областей памяти, системой прерываний и системным таймером. Это делает ОС машинно-зависимой, привязанной к определенной аппаратной платформе.
Переносимость ОС
Операционная система называется переносимой ОС (portable), или мобильной, если ее код может быть сравнительно легко перенесен с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.
Несмотря на то, что часто ОС описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, мобильность – это не бинарное состояние, а понятие степени. Вопрос не только и не столько в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Ведь если для переноса ОС с одного компьютера на другой необходимо переписать заново практически все ее модули, то такая система не будет считаться переносимой, хотя принципиально ее можно назвать и так. Для того чтобы обеспечить свойство мобильности ОС, разработчик должен следовать установленным правилам:
1. Подавляющая часть кода должна быть написана на языке, трансляторы которого имеются на всех машинах, куда предполагается переносить систему. Такими языками, например, являются стандартизи-рованные языки высокого уровня. Большинство переносимых ОС написано на языке C, который имеет много особенностей, полезных для разработки кодов ОС, и компиляторы которого широко доступны. Языки низкого уровня не подходят для решения подобных задач. Так, программа, написанная на ассемблере, является переносимой только в том случае, когда перенос ОС предполагается на компьютер, обладающий той же системой команд. В остальных случаях ассемблер используется только для тех непереносимых частей ОС, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, для обработчика прерываний), или частей, требующих максимальной производительности (например, для целочисленной арифметики повышенной точности).
2. Объем машинно-зависимых частей кода, непосредственно взаимодействующих с аппаратными средствами, должен быть по возможности минимизирован. Всегда следует избегать прямого манипулирования регистрами и другими аппаратными средствами процессора. Для уменьшения аппаратной зависимости разработчики ОС должны также исключить возможность использования по умолчанию стандартных конфигураций аппаратуры или их характеристик. Аппаратно-зависимые параметры можно “спрятать” в программно-задаваемые пользователем данные абстрактного типа. Для осуществления всех необходимых действий по управлению аппаратурой, представленной этими параметрами, должен быть написан набор аппаратно-зависимых функций. Каждый раз, когда какому-либо модулю ОС требуется выполнить некоторое действие, связанное с аппаратурой, он манипулирует абстрактными данными, используя соответствующую функцию из имеющегося набора. Когда ОС переносится, то соответственно изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют. Например, в ОС Windows NT диспетчер прерываний преобразует аппаратные уровни прерываний конкретного типа процессора в стандартный набор уровней прерываний IRQL, с которым работают остальные модули ОС. Поэтому при переносе Windows NT на новую аппаратную платформу необходимо переписать те коды диспетчера прерываний, которые, в частности, занимаются отображением уровней прерывания на абстрактные уровни IRQL, а модули ОС, пользующиеся этими абстрактными уровнями, изменений не потребуют. Более того, в Windows NT любой ресурс системы, одновременно задействованной более чем в одном процессе, включая файлы, совместно используемую память и физические устройства, реализован в виде объекта и управляется рядом функций. Такой подход сокращает число преобразований, которые необходимо внести в ОС в процессе ее эксплуатации. Если, скажем, изменилось что-то в аппаратуре, то все, что необходимо сделать – это заменить соответствующий объект. Аналогично, если требуется поддержка новых ресурсов, то надо только добавить новый объект, не меняя при этом остального кода ОС. Наиболее фундаментальное отличие между объектом и обыкновенной структурой данных заключается в том, что внутренняя структура данных объекта скрыта от наблюдения. Вы должны вызвать объектную функцию для того, чтобы получить данные из объекта или поместить данные в объект. Вы не можете непосредственно изменять данные, находящиеся внутри объекта. Это отделяет средства реализации объекта от кода, который только использует его, такая техника позволяет легко изменять впоследствии реализацию объектов.
3. Аппаратно-зависимый код должен быть надежно изолирован в нескольких модулях, а не быть распределен по системе. Изоляции подлежат все части ОС, которые отражают специфику как процессора в отдельности, так и используемой аппаратной платформы в целом. Низкоуровневые компоненты ОС, имеющие доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам, должны быть в обязательном порядке оформлены в виде компактных логически обособленных модулей, которые могут быть заменены аналогичными по выполняемым функциям модулями для других процессоров. Для снятия платформенной зависимости, возникающей из-за различий между компьютерами разных производителей, построенными на одном и том же процессоре, должен быть введен хорошо локализованный программный слой машинно-зависимых функций с четко оговоренным межслойным интерфейсом.
В идеальном случае слой машинно-зависимых компонентов ядра полностью экранирует остальную часть ОС от конкретных деталей аппаратной платформы или тех платформ, которые поддерживает данная ОС. В результате таких действий происходит как бы подмена реальной аппаратуры некой унифицированной расширенной машиной, одинаковой, с точки зрения пользователя, для всех возможных вариантов аппаратной платформы. Все слои, лежащие выше слоя машинно-зависимых компонентов, могут быть написаны для управления именно этой виртуальной аппаратурой. Таким образом, у разработчиков появляется возможность создавать один вариант машинно-независимой части ОС (включая компоненты ядра, утилиты, системные обрабатывающие программы) для всего набора поддерживаемых аппаратных платформ (см. рис. 8).
Рис. 8. Перенос операционной системы на разные аппаратные платформы