Раздел 2. Машинно-зависимые свойства операционных систем

Тема 2.1. Архитектурные особенности модели микропроцессорной системы

Основные регистры процессора

Регистры – это ячейки внутренней быстродействующей памяти микропроцессора. Они используются для временного хранения единицы информации (машинного слова) при прохождении данных через блок микропроцессора. Количество допустимой в системе оперативной памяти определяется регистром адреса. Количество регистров в реальных микропроцессорах может отличаться, но 8 типов регистров присутствуют всегда:

1. Аккумулятор – является промежуточной памятью при выполнении арифметических и логических операций в АЛУ. Любая из операций над двумя байтами предполагает размещение одного из них в аккумуляторе. Результат обычно помещается туда же. Может использоваться для изменения (инвертирования, сдвига). Доступен программисту.
2. Буферные регистры - используются для накопления исходных данных с шины. Недоступны.
3. Регистр состояния – каждый разряд этого регистра устанавливается в 0 или 1, если происходит определенное событие. Например, в результате получился 0 или отрицательное число. Доступен для просмотра команд.
4. Счетчик команд – содержит адрес ячейки памяти, в которой содержится следующая команда программы. Недоступен.
5. Регистр команд – содержит команду, которую нужно выполнять на определенном шаге. Недоступен.
6. Регистр адреса – содержит адрес той команды программы, которая выполняется сейчас. Недоступен.
7. Указатель стека – содержит адрес вершины стека.
8. Регистры общего назначения –предназначены для временного хранения данных и доступны программисту.

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU — Central Processing Unit). Он выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, деко­дирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считы­вает, декодирует и выполняет последующие команды.

Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium. Поскольку доступ к памяти для получения команд или наборов данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, все центральные процессоры содержат внутренние регистры для хра­нения ключевых переменных и временных результатов.

Кроме основных внутренних регистров, большинство компьютеров имеет несколько специальных регис­тров, видимых для программиста.

Один из них называется счетчиком команд (PC, program counter), в нем содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде. Еще один регистр процессора называется указателем стека (SP, stack pointer). Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а так­же локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах.Следующий регистр называется PSW (Processor Status Word — слово состоя­ния процессора). Этот регистр содержит биты кода состояний, которые задаются командами сравнения, приоритетом центрального процессора, режимом (пользова­тельский или режим ядра), и другую служебную информацию.

Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто ос­танавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой. Каж­дый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все реги­стры процессора, чтобы позже, когда программа продолжит свою работу, их можно было восстановить. В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные CPU обла­дают возможностями выполнения нескольких команд одновременно.

Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодиро­ванием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером п он может декодировать команду с номером n + 1 и считывать команду с номером п + 2. Подобная организация процесса называется конвейером, три его стадии продемон­стрированы на рис. а. Часто встречаются и более длинные конвейеры. В боль­шинстве конвейерных конструкций считанная команда должна быть выполнена, даже если в предыдущей команде был принят условный переход.

Структура оперативной памяти

ОП состоит из ячеек, в каждой из которых может находиться единица информации – машинное слово. Каждая ячейка имеет две характеристики: адрес и содержимое. Через регистр адреса микропроцессора можно обратиться к любой ячейке памяти. Количество ячеек памяти зависит от разрядности регистра адреса:

К=2n,

Где К – количество ячеек памяти, n – разрядность регистра адреса.

Например, имея 8-ми разрядный регистр адреса можно адресовать 256 ячеек памяти. Если принять, что машинное слово – 1 байт, то следовательно максимальная оперативная память не может превышать 256 байт.

Посчитайте, с ОП какого максимального размера может работать МП, если регистр адреса 16-разрядный и машинное слово – 1 байт.

Ответ - 64 Кбайта

А если регистр адреса – 32 разрядный и машинное слово – байт?

Ответ – 4 Гб.

Иначе говоря, 32 разрядный МП может адресовать 1 Гб ОП.

Формат команд и методы адресации

Команды 32-разрядных процессоров содержат одно- или двухбайтный код инструкции, за ко­торым могут следовать несколько байт, определяющих режим исполнения коман­ды, и операнды. Команды могут использовать до трех операндов (или ни одного). Операнды – данные для выполнения команды. Например, команда сложения должна содержать 2 операнда – 2 числа, которые нужно просуммировать.

Операнды могут находиться в памяти, регистрах процессора или непосредственно в команде.

Если операнд находится в команде (задан константой), то такая адресация данных называется непосредственной.

При прямой (регистровой) адресации операнд находится в каком-либо регистре процессора, а в теле команды указывается имя этого регистра. При косвенной адресации операнд находится в ячейке ОП, а адрес этой ячейки содержится в регистре, указанном в команде.

Примеры:

1. Add R1,28

На то, какой именно метод адресации используется, указывают старшие два двоичных разряда операнда.

Задание: тест 2.1.

Сам.работа:

1. Упрощенная архитектура типовой ПК.
2. Адресация.
3. Форматы данных и команд.
4. Операционная система как средство управления ресурсами типовой ПК

Тема 2.2. Обработка прерываний

Понятие прерывания. Последовательность действий при обработке прерываний. Классы прерываний. Рабочая область прерываний. Вектор прерывания. Стандартные программы обработки прерываний. Приоритеты прерываний. Вложенные прерывания

Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые и немаскируе­мые), вызываемые электрическими сигналами на входах процессора, и про­граммные, выполняемые по команде INT xx. Программные прерывания, строго говоря, прерываниями не являются — это лишь своеобразный способ вызова процедур, но процессором они обрабатываются как разновидность прерыва­ний.

Прерывания и исключения нарушают нормальный ход выполнения программы для обработки внешних событий или сообщения о возникновении особых усло­вий или ошибок.

Аппаратные прерывания подразделяются на маскируемые и немаскируемые. Процессор может воспринимать прерывания после выполнения каждой коман­ды, длинные строковые команды имеют для восприятия прерываний специаль­ные окна. Аппаратные прерывания вызываются электрическими сигналами на входах INTR и NMI.

Маскируемые прерывания вызываются переходом в высокий уровень сиг­нала на входе INTR (Interrupt Request) при установленном флаге разрешения (IF=1). В этом случае процессор сохраняет в стеке регистр флагов, сбрасы­вает флаг IF и вырабатывает два следующих друг за другом (back to back) цикла подтверждения прерывания, в которых генерируются управляющие сиг­налы INTA# (Interrupt Acknowledge). Высокий уровень сигнала INTR должен сохраняться по крайней мере до подтверждения прерывания. Первый цикл подтверждения холостой, по второму импульсу внешний контроллер прерыва­ний передает по шине номер вектора, обслуживающего данный тип аппарат­ного прерывания. Прерывание с полученным номером вектора выполняется процессором так же, как и программное. Обработка текущего прерывания может быть в свою очередь прервана немаскируемым прерыванием, а если обработчик установит флаг IF, то и другим маскируемым аппаратным прерыванием.

Немаскируемые прерывания выполняются независимо от состояния флага IF по сигналу NMI (Non Mascable Interrupt). Высокий уровень на этом входе вы­зовет прерывание с типом (вектором) 2, которое выполняется так же, как и маскируемое. Его обработка не может прерываться под действием сигнала на входе NMI до выполнения команды IRET.

В защищенном режиме, помимо перечисленных видов прерываний существуют так называемые исключения (exceptions). Исключение происходит в результате нештатной ситуации выполнения программы, которую возможно необходимо обработать определенным образом. Исключения подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения.

Отказ (fault) — это исключение, которое обнаруживается и обслуживается до выполнения инструкции, вызывающей ошибку. После обслуживания этого исключения управление возвращается снова на ту же инструкцию (включая все префиксы), которая вызвала отказ. Отказы, использующиеся в системе вирту­альной памяти, позволяют, например, подкачать с диска в оперативную память, затребованную страницу или сегмент.

Ловушка (trap) — это исключение, которое обнаруживается и обслуживает­ся после выполнения инструкции, его вызывающей. После обслуживания этого исключения управление возвращается на инструкцию, следующую за вызвав­шей ловушку. К классу ловушек относятся и программные прерывания.

Аварийное завершение (abort) - это исключение, которое не позволяет точно установить инструкцию, его вызвавшую. Оно используется для сообще­ния о серьезной ошибке, такой как аппаратная ошибка или повреждение сис­темных таблиц.

Задание: тест 2.2.

Сам.работа:

1. Электр.пособие- Основы информатики и программирования под Windows. К.А.Молоков,2007г. (Роль прерываний ЭВМ при запуске системы. Порядок выполнения любого прерывания-стр.70)
2. Определение: прерывание, исключение, вектор прерываний, цикл, регистр флагов, номер вектора.

Тема 2.3. Планирование процессов

Уровни планирования

Планирование использования процессора применяется в качестве краткосрочного планирования процессов. Оно проводится, к примеру, при обращении исполняющегося процесса к устройствам ввода-вывода или просто по завершении определенного интервала времени. Поэтому краткосрочное планирование осуществляется, как правило, не реже одного раза в 100 миллисекунд. Выбор нового процесса для исполнения оказывает влияние на функционирование системы до наступления очередного аналогичного события, т. е. в течение короткого промежутка времени, чем и обусловлено название этого уровня планирования – краткосрочное.

В некоторых вычислительных системах бывает выгодно для повышения производительности временно удалить какой-либо частично выполнившийся процесс из оперативной памяти на диск, а позже вернуть его обратно для дальнейшего выполнения. Эта процедура называется swapping. Когда и какой из процессов нужно перекачать на диск и вернуть обратно, решается дополнительным промежуточным уровнем планирования процессов – среднесрочным.

Критерии планирования и требования к алгоритмам

Выбор конкретного алгоритма определяется классом задач, решаемых вычислительной системой, и целями, которых мы хотим достичь, используя планирование.

К числу таких целей можно отнести следующие:

· Справедливость – гарантировать каждому заданию или процессу определенную часть времени использования процессора в компьютерной системе, стараясь не допустить возникновения ситуации, когда процесс одного пользователя постоянно занимает процессор, в то время как процесс другого пользователя фактически не начинал выполняться.

· Эффективность – постараться занять процессор на все 100% рабочего времени, не позволяя ему простаивать в ожидании процессов, готовых к исполнению. В реальных вычислительных системах загрузка процессора колеблется от 40 до 90%.

· Сокращение полного времени выполнения (turnaround time) – обеспечить минимальное время между стартом процесса или постановкой задания в очередь для загрузки и его завершением.

· Сокращение времени ожидания (waiting time) – сократить время, которое проводят процессы в состоянии готовность и задания в очереди для загрузки.

· Сокращение времени отклика (response time) – минимизировать время, которое требуется процессу в интерактивных системах для ответа на запрос пользователя.

Независимо от поставленных целей планирования желательно также, чтобы алгоритмы обладали следующими свойствами:

· Были предсказуемыми. Одно и то же задание должно выполняться приблизительно за одно и то же время. Применение алгоритма планирования не должно приводить, к примеру, к сортировке массива за сотые доли секунды при одном запуске и за несколько суток – при втором запуске.

· Были связаны с минимальными накладными расходами. Если на каждые 100 миллисекунд, выделенные процессу для использования процессора, будет приходиться 200 миллисекунд на определение того, какой именно процесс получит процессор в свое распоряжение, и на переключение контекста, то такой алгоритм, очевидно, применять не стоит.

· Равномерно загружали ресурсы вычислительной системы, отдавая предпочтение тем процессам, которые будут занимать малоиспользуемые ресурсы.

· Обладали масштабируемостью, т. е. не сразу теряли работоспособность при увеличении нагрузки. Например, рост количества процессов в системе в два раза не должен приводить к увеличению полного времени выполнения процессов на порядок.

Многие из приведенных выше целей и свойств являются противоречивыми. Улучшая работу алгоритма с точки зрения одного критерия, мы ухудшаем ее с точки зрения другого. Приспосабливая алгоритм под один класс задач, мы тем самым дискриминируем задачи другого класса.

Параметры планирования

Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования.

Все параметры планирования можно разбить на две большие группы: статические параметры и динамические параметры. Статические параметры не изменяются в ходе функционирования вычислительной системы, динамические же, напротив, подвержены постоянным изменениям.

Задание: тест 2.3.

Сам.работа:

1. Понятия: задание, процесс, планирование процесса, событие.
2. Состояния существования процесса.
3. Диспетчеризация процесса.
4. Блок состояния процесса.
5. Алгоритм диспетчеризации.
6. Способ выбора процесса для диспетчеризации.
7. Блок состояния события.
8. Механизм установления соответствия между процессом и событием

Тема 2.4. Обслуживание ввода-вывода

На многих ПК пользовательский процесс (проблемная задача) запрашивает обслуживание ввода/вывода посредствам команды вызова супервизора (SVC) (планируемое прерывание), т.е. инструкция "ввод".

Эта команда приводит к внутреннему прерыванию и передаче управления обработчику прерываний SVC (IH1).

Обработчик прерываний SVC будет вызывать требуемую программу ввода/вывода или процесс, "будить" его или посылать сообщение (например, вставкой в очередь).

При этом:

а) элементы запроса должны быть переданы из пользовательского

процесса обработчику прерываний SVC для того, чтобы:

- он нашел правильную стандартную программу ввода/вывода;

б) элементы запроса должны быть переданы программе ввода/вывода

так, чтобы:

- была определена правильная команда ввода/вывода.

Стандартная программа ввода/вывода в свою очередь должна передавать свой идентификатор (помещая его в некоторую заранее известную ячейку памяти) обработчику прерываний.

По окончании работы устройства - внешнее прерывание, сигнализирующее о завершении операции ввода/вывода, вызывает обработчик прерываний (IH2).

Этот обработчик определит необходимый процесс ввода/вывода (стандартную программу), которую нужно вызвать ("разбудить").

Стандартная программа ввода/вывода может вернуть или послать сигнал пробуждения обработчику прерываний SVC, который, в конце концов, передает управление исходному запрашивающему процессу.

На рисунке приведены блок-схема обслуживания ввода-вывода.

Задание: тест 2.4.

Сам.работа:

1. Определения: устройства ввода, вывода, ввода-вывода.
2. Перечислить их виды с определениями.
3. Как обслуживать устройства ввода, вывода, ввода-вывода(Алгоритм обслуживания)? В чем отличие?
4. Обобщенный алгоритм обслуживания:
• Установка устройства
• Замена закончившихся элементов/неисправных частей
• Наблюдение за гигиеническим состоянием прибора.

Тема 2.5. Управление реальной памятью

Управление памятью

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так как во время трансляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что программа будет размещена, начиная с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами.

· В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа - перемещающий загрузчик. Перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, и информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых константах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

· Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким, он допускает перемещение программы во время ее выполнения, в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти. Вместе с тем использование перемещающего загрузчика уменьшает накладные расходы, так как преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а во втором случае - каждый раз при обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Задание: тест 2.5.

Сам.работа:

1. Механизм разделения центральной памяти.
2. Разделение памяти на разделы.
3. Распределение памяти с разделами фиксированного, переменного размера
4. Аппаратные и программные средства защиты памяти.
5. Способы защиты памяти.
6. Проблема фрагментации памяти и способы ее разрешения

Тема 2.6. Управление виртуальной памятью

Виртуальная машина (ВМ, от англ. virtual machine) —

· программная и/или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы (target — целевая, или гостевая платформа) и исполняющая программы для target-платформы на host-платформе (host — хост-платформа, платформа-хозяин)

· или виртуализирующая некоторую платформу и создающая на ней среды, изолирующие друг от друга программы и даже операционные системы (см.: песочница);

· также, спецификация некоторой вычислительной среды (например: «виртуальная машина языка программирования Си»).

Виртуальная машина исполняет некоторый машинно-независимый код (например, байт-код, шитый код, p-код) или машинный код реального процессора. Помимо процессора, ВМ может эмулировать работу как отдельных компонентов аппаратного обеспечения, так и целого реального компьютера (включая BIOS, оперативную память, жёсткий диск и другие периферийные устройства). В последнем случае в ВМ, как и на реальном компьютере, можно устанавливать операционные системы (например, Windows можно запускать в виртуальной машине под Linux или наоборот). На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин (это может использоваться для имитации нескольких серверов на одном реальном сервере с целью оптимизации использования ресурсов сервера).

Концепция виртуальной машины как совокупности ресурсов, которые эмулируют поведение реальной машины, появилась в Кембридже в конце 1960-х годов как расширение концепции виртуальной памяти манчестерской вычислительной машины Atlas (англ.). В целом вычислительный процесс определяется содержимым того рабочего пространства памяти, к которому он имеет доступ. При условии, что конкретная ситуация в этом рабочем пространстве соответствует ожидаемой, процесс не имеет никаких средств для определения того, является ли представленный ему ресурс действительно физическим ресурсом этого типа, или же он имитируется действиями других ресурсов, которые приводят к аналогичным изменениям содержимого рабочего пространства процесса.

Например, процесс не может определить, монопольно ли он использует процессор или же в режиме мультипрограммирования вместе с другими процессами. В виртуальной машине ни один процесс не может монопольно использовать никакой ресурс, и все системные ресурсы считаются ресурсами потенциально совместного использования. Кроме того, использование виртуальных машин обеспечивает развязку между несколькими пользователями, работающими в одной вычислительной системе, обеспечивая определённый уровень защиты данных.

Идея виртуальной машины лежит в основе целого ряда операционных систем, в частности, IBM VM/CMS (и её советского клона СВМ) и DEC VAX/VMS.

Виртуальные машины могут использоваться для:

· защиты информации и ограничения возможностей программ (см.: песочница);

· исследования производительности ПО или новой компьютерной архитектуры;

· эмуляции различных архитектур (например, эмулятор игровой приставки);

· оптимизации использования ресурсов мейнфреймов и прочих мощных компьютеров (см., например: IBM eServer);

· вредоносного кода для управления инфицированной системой: вирус PMBS, обнаруженный в 1993 году, а также руткит SubVirt, созданный в 2006 году в Microsoft Research, создавали виртуальную систему, которой ограничивался пользователь и все защитные программы (антивирусы и прочие).

· моделирования информационных систем с клиент-серверной архитектурой на одном ПК (эмуляция компьютерной сети с помощью нескольких виртуальных машин).

· упрощения управления кластерами — виртуальные машины могут просто мигрировать с одной физической машины на другую во время работы.

· Тестирования и отладки системного программного обеспечения;

Составной частью ядра операционной системы является VMM. Приложения не могут получить к VMM прямой доступ, поэтому для управления памятью им предоставляются различные программные интерфейсы (API).

Интерфейсы:

· Virtual Memory API - набор функций, позволяющих приложению работать с виртуальным адресным пространством. Приложение может назначать физические страницы блоку адресов и освобождать их, а также устанавливать атрибуты защиты (см. врезку "Virtual Memory API");

· Memory Mapped File API - набор функций использования файлов, отображаемых в память. Этот новый с точки зрения классического устройства ОС механизм предоставляется Win32 API для работы с файлами и взаимодействия процессов между собой;

· Heap Memory API - набор функций для управления динамически распределяемыми областями памяти (кучами). Интерфейс построен с помощью Virtual Memory API;

· Local, Global Memory API - программный интерфейс для работы с памятью, совместимый с 16-разрядной Windows (лучше его не использовать);

· CRT Memory API - функции стандартной библиотеки времени исполнения языка Cи (C Run Time library).

Файлы, отображаемые в память, - это один из самых замечательных сервисов, которые Win32 предоставляет программисту. Его существование стирает для программиста грань между оперативной и дисковой памятью. Действительно, с точки зрения классической теории кэш, оперативная память и дисковое пространство - это три вида памяти, отличающиеся скоростью доступа и размером. Но если заботу о перемещении данных между кэшем и оперативной памятью берут на себя процессор и операционная система, то перемещение данных между оперативной памятью и диском обычно выполняет прикладной процесс с использованием функций read() и write(). Win32 действует иначе: операционная система берет на себя заботу о перемещении страниц адресного пространства процесса, находящихся в файле подкачки, причем в качестве файла подкачки может быть использован любой файл. Иначе говоря, страницы виртуальной памяти любого процесса могут быть помечены как выгруженные, а в качестве места, куда они выгружены, может быть указан файл. Теперь при обращении к такой странице VMM произведет ее загрузку, используя стандартный механизм свопинга. Это позволяет работать с произвольным файлом как с регионом памяти. Данный механизм имеет в Win32 три применения:

• для запуска исполняемых файлов (EXE) и динамически связываемых библиотек (DLL);
• для работы с файлами;
• для совместного использования одной области данных двумя процессами.

Запуск на исполнение EXE-модуля происходит следующим образом. EXE-файл отображается на память, и при этом он не переписывается в файл подкачки. Просто элементы каталога и таблиц страниц настраиваются так, чтобы они указывали на EXE-файл, лежащий на диске. Затем передается управление на точку входа программы. При этом возникает исключение, обрабатывая которое стандартным образом, VMM загружает в память требуемую страницу, после чего программа начинает исполняться. Такой механизм существенно ускоряет процедуру запуска программ, так как загрузка страниц EXE-модуля происходит по мере необходимости. По сути, как ни парадоксально это звучит, программа сначала начинает исполняться, а потом загружается в память. Если программа записана на дискете, то перед началом исполнения она переписывается в файл подкачки. Именно поэтому на запуск программы с дискеты уходит значительно больше времени.

Рассмотрим механизм запуска программы на выполнение более подробно. При исполнении функции CreateProcess система обращается к VMM для выполнения следующих действий:

1. Создать адресное пространство процесса.
2. Зарезервировать в адресном пространстве процесса регион размером, достаточным для размещения исполняемого файла. Начальный адрес региона берется из заголовка EXE-модуля. Обычно он равен 0x00400000, но может быть изменен при построении файла заданием параметра /BASE компоновщика.
3. Отобразить исполняемый файл на зарезервированное адресное пространство. Тем самым VMM распределяет физические страницы не из файла подкачки, а непосредственно из EXE-модуля.
4. Отобразить в адресное пространство процесса необходимые ему динамически связываемые библиотеки. Информация о необходимых библиотеках читается из заголовка EXE-модуля. Желательное расположение региона адресов описано внутри отображаемых библиотек. Visual C++, например, по умолчанию устанавливает для своей библиотеки адрес 0x10000000. Этот адрес может тоже изменяться параметром /BASE компоновщика. Если при загрузке выясняется, что данный регион занят, то система попытается переместить библиотеку в другой регион адресов, согласуя это действие с настроечной информацией, содержащейся в DLL-модуле. Однако эта операция снижает эффективность системы, и кроме того, если при компоновке библиотеки настроечная информация удалена (параметр/FIXED), то загрузка становится вообще невозможной. Интересно, что все стандартные библиотеки Windows имеют фиксированный адрес загрузки, и каждая свой собственный.

При одновременном запуске нескольких приложений Win32 отображает один и тот же исполняемый файл и библиотеки на адресные пространства различных процессов. При этом возникает проблема независимого использования процессами статических переменных и областей данных. Кроме того, изменение данных исполняющейся программой не должно приводить к изменению EXE-файла. А ведь он является файлом подкачки и, значит, вытесняемые страницы должны попадать именно в него.

Мы уже обсуждали выше, что Win32, используя технологию lazy evaluation, откладывает решение этой проблемы на максимально возможный срок. Все страницы адресного пространства процесса, на которые отображен EXE-файл, получают атрибут защиты PAGE_WRITECOPY. При попытке записи в такую страницу возникает исключение нарушения защиты, и VMM копирует страницу для обратившегося процесса. В дальнейшем эта страница всегда будет выгружаться в файл подкачки. После копирования происходит повторный старт команды, вызвавшей исключение.

Отображение файла данных в адресное пространство процесса предоставляет мощный механизм работы с файлами - программа может работать с файлом, как с массивом ячеек памяти. Само проецирование файла в память выполняется в три этапа:

1. Создается объект ядра "файл". В более ранней терминологии это называлось операцией открытия файла. Для создания объекта "файл" используется функция CreateFile(), аналогичная функции open() из CRT-библиотеки.
2. С помощью функции CreateFileMapping() создается объект ядра "отображаемый файл". При этом используется дескриптор файла (handle), возвращенный функцией CreateFile(). Теперь файл готов к отображению.
3. Функцией MapViewOfFile() производится отображение объекта "отображаемый файл" или его части в адресное пространство процесса.

Два процесса могут совместно использовать объект "отображаемый файл". При этом с помощью функции MapViewOfFile() каждый процесс отображает этот объект в свое адресное пространство и применяет эту часть адресного пространства как совместно используемую область данных. Общий механизм таков: один процесс создает объект "проецируемый файл" с помощью функции CreateFileMapping() и порождает другой процесс, передавая ему в наследство дескриптор (handle) этого объекта. Дочерний процесс может пользоваться этим дескриптором наравне с родительским. Проблема состоит только в том, как сообщить дочернему процессу, какой из переданных ему в наследство дескрипторов принадлежит "отображаемому файлу". Это можно сделать любым способом - например, передав параметры при запуске процесса через переменные среды, послав сообщения главному окну процесса и т. д.

Общая область данных может быть создана не только путем проецирования файла, но и путем проецирования части файла подкачки. Для этого в функцию CreateFileMapping() необходимо передать в качестве параметра не дескриптор ранее открытого файла, а константу 1. В этом случае необходимо задать размеры выделяемой области. Кроме того, в параметре lpName можно задать имя глобального объекта в системе. Если это имя задается в системе впервые, то процессу выделяется новая область данных, а если имя было уже задано, то именованная область данных предоставляется для совместного использования.

Если один процесс изменяет совместно используемую область данных, то она изменяется и для другого разделяющего ее процесса. Операционная система обеспечивает когерентность совместно используемой области данных для всех процессов, но для этого процессы должны работать с объектом "отображаемый файл", а не с самим файлом.

Кучи (heaps) - это динамически распределяемые области данных. При порождении процесса ему предоставляется куча размером 1 Мбайт по умолчанию. Ее размер может изменяться параметром /HEAP при построении исполняемого модуля. Функции библиотеки времени исполнения компилятора (malloc(), free() и т. д.) используют возможности куч.

Можно с уверенностью утверждать, что Windows NT является ничуть не менее "классической" операционной системой в том смысле, что она доставляет примеры удачной реализации во всех разделах теории. Это не удивительно, ведь инженеры, создававшие Windows NT, были очень хорошо знакомы с такими системами, как Unix и Open VMS. При создании Windows NT было найдено много интереснейших технических решений, ряд из которых рассмотрен в данной статье, и название NT - New Technologies - можно считать вполне оправданным.

Задание: тест 2.6.

Сам.работа:

· Определение: виртуальная память(ВП).

· Запишите виды ВП с определениями.

· Опишите процесс управления ВП.