Глава 1
Введение

Современная компьютерная система состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, дисков, клавиатуры, монитора, принтеров, сетевого интерфейса и других устройств, то есть является сложной комплексной системой. Написание программ, которые следят за всеми компонентами, корректно используют их и при этом работают оптимально, представляет собой крайне трудную задачу. По этой причине компьютеры оснащаются специальным уровнем программного обеспечения, называемым операционной системой. Операционная система отвечает за управление всеми перечисленными устройствами и обеспечивает пользователя имеющими простой, доступный интерфейс программами для работы с аппаратурой. Эти системы составляют предмет данной книги.

Расположение операционной системы в общей структуре компьютера показано на рис. 1.1. Внизу находится аппаратное обеспечение, которое во многих случаях само состоит из двух или более уровней (или слоев). Самый нижний уровень содержит физические устройства, состоящие из интегральных микросхем, проводников, источников питания, электронно-лучевых трубок и т. п. То, как они устроены и как работают, относится к сфере деятельности инженеров, специалистов по электронике.

Рис. 1.1. Компьютерная система состоит из аппаратного обеспечения, системных программ и приложений

Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются с точки зрения функциональных единиц. Обычно на этом уровне находятся внутренние регистры центрального процессора (CPU - Central Processing Unit) и арифметико-логическое устройство. На каждом такте процессора из регистра выбирается один или два операнда, которые обрабатываются в арифметико-логическом устройстве (например, действием операции сложения или логического И). Результат сохраняется в одном или нескольких регистрах. В некоторых машинах операции над данными контролируются программными приложениями, которые называются микропрограммами. В других компьютерах такой контроль выполняется напрямую аппаратными цепями.

Определенная система команд передается по маршруту передачи данных. Некоторые команды могут быть выполнены за один цикл передачи данных, другие требуют нескольких циклов. Такие команды могут использовать регистры или другие возможности аппаратуры. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA (Instruction Set Architecture -архитектура системы команд), часто называемый машинным языком.

Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин. Управление устройствами на этом уровне осуществляется с помощью загрузки определенных величин в специальные регистры устройств. Например, диску можно дать команду чтения, записав в его регистры адрес места на диске, адрес в основной памяти, число байтов для чтения и направление действия (чтение или запись). На практике нужно передавать большее количество параметров, а статус операции, возвращаемый диском, достаточно сложен. Кроме того, при программировании многих устройств ввода-вывода (I/O - Input/Output) очень важную роль играют временные соотношения.

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности. Она состоит из уровня программного обеспечения, который частично избавляет от необходимости общения с аппаратурой напрямую, вместо этого предоставляя программисту более удобную систему команд. Действие чтения блока из файла в этом случае представляется намного более простым, чем когда нужно заботиться о перемещении головок диска, ждать, пока они установятся на нужное место и т. д.

Над операционной системой на нашем рисунке расположены остальные системные программы. Здесь находятся интерпретатор команд (оболочка), системы окон, компиляторы, редакторы и т. д. Важно понимать, что подобные программы не являются частью операционной системы, хотя обычно поставщики компьютеров устанавливают их на машины. Это очень важное замечание. Под операционной системой обычно понимается то программное обеспечение, которое запускается в режиме ядра или, как его еще называют, режиме супервизора. Она защищена от вмешательства пользователя с помощью аппаратных средств (мы не рассматриваем в данный момент некоторые старые микропроцессоры, которые вообще не имеют аппаратной защиты). Компиляторы и редакторы запускаются в пользовательском режиме. Если пользователю не нравится какой-либо компилятор, он при желании может написать свой собственный, но он не может написать собственный обработчик прерываний системных часов, являющийся частью операционной системы и обычно защищенный аппаратно от попыток его модифицировать.

Существуют системы, в которых это различие размыто. К ним относятся встроенные системы, они могут не иметь режима ядра, или интерпретируемые системы, подобные основанным на Java операционным системам, в которых для разделения компонентов используется интерпретация, а не оборудование. Но в традиционных компьютерах операционная система представляет собой набор программ, запускающихся в режиме ядра.

Во многих системах есть программы, которые работают в пользовательском режиме, но помогают операционной системе или выполняют специализированные функции. Например, часто встречаются программы, позволяющие пользователям изменять свои пароли. Они не являются частью операционной системы и запускаются не в режиме ядра, но выполняемые ими функции влияют на работу системы, и такие программы должны быть определенным способом защищены от воздействия пользователя.

В некоторых системах части того, что обычно считалось операционной системой (например, файловая система), работают в пространстве пользователя. В таких системах сложно провести четкую границу. Понятно, что все программы, запускающиеся в режиме ядра, является частью операционной системы, но некоторые программы, работающие вне этого режима, могут также относится к операционной системе, или, по крайней мере, тесно с ней связаны.

Как было упомянуто ранее, архитектура (система команд, организация памяти, ввод-вывод данных и структура шин) большинства компьютеров на уровне машинного языка примитивна и неудобна для работы с программами, особенно в процессе ввода-вывода данных. Чтобы это утверждение не показалось голословным, кратко рассмотрим пример того, как происходит ввод-вывод данных с гибкого диска через совместимые микросхемы контроллера NEC PD765, используемые на большинстве персональных компьютеров с процессором Intel. (В этой книге мы будем использовать и термин "гибкий диск", и термин "дискета".) Контроллер PD765 имеет 16 команд, каждая задается передачей от 1 до 9 байт в регистр устройства. Это команды для чтения и записи данных, перемещения головки диска и форматирования дорожек, а также для инициализации, распознавания, установки в исходное положение и калибровки контроллера и приводов.

Основными командами являются команды read и write (чтение и запись). Каждая из них требует 13 параметров, упакованных в 9 байт. Эти параметры определяют такие элементы, как адрес блока на диске, который нужно прочитать, количество секторов на дорожке, физический режим записи, расстановку промежутков между секторами. Они же сообщают, что делать с меткой адреса данных, которые были удалены. Если вы не можете сразу это осмыслить, не волнуйтесь -полностью это понятно лишь посвященным. Когда выполнение операции завершается, чип контроллера возвращает упакованные в 7 байт 23 параметра, отражающие наличие и типы ошибок. Но этого не достаточно, и программист при работе с гибким диском должен также постоянно знать, включен двигатель или нет. Если двигатель выключен, его следует включить (с длительным ожиданием запуска) прежде, чем данные будут прочитаны или записаны. Двигатель не может оставаться включенным слишком долго, так как гибкий диск изнашивается. Программист вынужден выбирать между длинными задержками во время загрузки и изнашивающимися гибкими дисками (с вероятностью потери данных на них).

Даже если не вдаваться глубже в подробности этого процесса, становится ясно, что обыкновенный программист вряд ли захочет столкнуться с такими деталями при работе с гибким диском (или жестким диском, работа с ним не менее сложна). Вместо этого программисту нужны простые высокоуровневые абстракции. В случае работы с дисками типичной абстракцией является коллекция именованных файлов, содержащихся на диске. Каждый файл может быть открыт для чтения или записи, прочитан или записан, а потом закрыт. А такие детали, как текущее состояние двигателя или использование при записи модифицированной частотной модуляции, не должны содержаться в абстракции, предстающей перед пользователем.

Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляющая простой список поименованных файлов, которые можно читать и записывать, и является операционной системой. Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими элементами низкого уровня. В каждом случае абстракция, предлагаемая операционной системой, намного проще и удобнее в обращении, чем то, что может предложить нам непосредственно основное оборудование.

Концепция, рассматривающая операционную систему прежде всего как удобный интерфейс пользователя, - это взгляд сверху вниз. Альтернативный взгляд, снизу вверх, дает представление об операционной системе как о механизме, присутствующем в устройстве компьютера для управления всеми частями этой сложнейшей машины. Современные компьютеры состоят из процессоров, памяти, датчиков времени, дисков, мыши, сетевого интерфейса, принтеров и огромного количества других устройств. В соответствии со вторым подходом работа операционной системы заключается в обеспечении организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными программами, состязающимися за право их использовать.

Представьте, что случилось бы, если бы на одном компьютере оказались работающими три программы и все они одновременно попытались бы напечатать свои выходные данные на одном и том же принтере. Возможно, первые несколько строк на листе появились бы от первой программы, следующие несколько - из второй программы, затем бы следовало несколько строк от третьей программы и т. д. В результате получилась бы полная неразбериха. Операционная система наводит порядок в подобных ситуациях, буферизируя на диске все данные, предназначенные для печати. В процессе работы программы операционная система сохраняет ее выходные данные на диске во временном файле. Затем, по окончании работы этой программы, система отправляет данные на принтер, в то время как другая программа может продолжать формировать свои выходные данные, не обращая внимания на то, что они пока еще фактически не посылаются на печатающее устройство.

Когда компьютером (или сетью) пользуются несколько пользователей, необходимость в управлении памятью, устройствами ввода-вывода, другими ресурсами и их защите сильно возрастает, поскольку пользователи могут обращаться к ним в абсолютно непредсказуемом порядке. К тому же часто приходится распределять между пользователями не только оборудование, но и информацию (файлы, базы данных и т. д.). С этой точки зрения основная задача операционной системы заключается в отслеживании того, кто и какой ресурс использует, в обработке запросов на ресурсы, в подсчете коэффициента загрузки и разрешении проблем конфликтующих запросов от различных программ и пользователей.

Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве. Когда ресурс распределяется во времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Сначала один из них получает доступ к использованию ресурса, потом другой и т. д. Например, несколько программ хотят обратиться к центральному процессору. В этой ситуации операционная система сначала разрешает доступ к процессору одной программе, затем, после того как она поработала достаточное время, другой программе, затем следующей и, в конце концов, опять первой. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс - это задача операционной системы. Еще один пример временного мультиплексирования - распределение заданий, посылаемых для печати на принтер. Когда задания выстраиваются в очередь для печати на одном принтере, операционной системе каждый раз нужно принимать решение о том, которое из них будет печататься следующим.

История развития операционных систем насчитывает уже много лет. В следующих разделах книги мы кратко рассмотрим некоторые основные моменты этого развития. Так как операционные системы появились и развивались в процессе конструирования компьютеров, то эти события исторически тесно связаны. Поэтому чтобы представить, как выглядели операционные системы, мы обсудим следующие друг за другом поколения компьютеров. Такая схема взаимосвязи поколений операционных систем и компьютеров довольно груба, но она обеспечивает некоторую структуру, без которой ничего не было бы понятно.

Первый настоящий цифровой компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэббиджем (Charles Babbage, 1792-1871). Хотя большую часть жизни Бэббидж посвятил попыткам создания своей "аналитической машины", он так и не смог заставить ее работать должным образом. Это была чисто механическая машина, а технологии того времени не были достаточно развиты для изготовления многих деталей и механизмов высокой точности. Не стоит и говорить, что его аналитическая машина не имела операционной системы.

После неудачных попыток Бэббиджа вплоть до Второй мировой войны в конструировании цифровых компьютеров не было практически никакого прогресса. Примерно в середине 1940-х Говард Айкен (Howard Aiken) в Гарварде, Джон фон Нейман (John von Neumann) в Институте углубленного изучения в Принстоне, Дж. Преспер Эккерт (J. Presper Eckert), Вильям Мочли (William Mauchley) в Пенсильванском университете, Конрад Цузе (Konrad Zuse) в Германии и многие другие продолжили работу в направлении создания вычислительных машин. На первых машинах использовались механические реле, но они были очень медлительны, длительность такта составляла несколько секунд. Позже реле заменили электронными лампами. Машины получались громоздкими, заполняющими целые комнаты, с десятками тысяч электронных ламп, но все равно они были в миллионы раз медленнее, чем даже самый дешевый современный персональный компьютер.

В те времена каждую машину и разрабатывала, и строила, и программировала, и эксплуатировала, и поддерживала в рабочем состоянии одна команда. Все программирование выполнялось на абсолютном машинном языке, управления основными функциями машины осуществлялось просто при помощи соединения коммутационных панелей проводами. Тогда еще не были известны языки программирования (даже ассемблера не было). Об операционных системах никто и не слышал. Обычный режим работы программиста был таков: записаться на определенное время на специальном стенде, затем спуститься в машинную комнату, вставить свою коммутационную панель в компьютер и провести несколько следующих часов в надежде, что во время работы ни одна из двадцати тысяч электронных ламп не выйдет из строя. Фактически тогда на компьютерах занимались только прямыми числовыми вычислениями, например расчетами таблиц синусов, косинусов и логарифмов.

В середине 50-х изобретение и применение транзисторов радикально изменило всю картину. Компьютеры стали достаточно надежными, появилась высокая вероятность того, что машина будет работать довольно долго, выполняя при этом полезные функции. Впервые сложилось четкое разделение между проектировщиками, сборщиками, операторами, программистами и обслуживающим персоналом.

Машины, теперь называемые мэйнфреймами, располагались в специальных комнатах с кондиционированным воздухом, где ими управлял целый штат профессиональных операторов. Только большие корпорации, правительственные учреждения или университеты могли позволить себе технику, цена которой исчислялась миллионами долларов. Чтобы выполнить задание (то есть программу или комплект программ), программист сначала должен был записать его на бумаге (на Фортране или ассемблере), а затем перенести на перфокарты. После этого - принести колоду перфокарт в комнату ввода данных, передать одному из операторов и идти пить кофе в ожидании, когда будет готов результат.

Когда компьютер заканчивал выполнение какого-либо из текущих заданий, оператор подходил к принтеру, отрывал лист с полученными данными и относил его в комнату для распечаток, где программист позже мог его забрать. Затем оператор брал одну из колод перфокарт, принесенных из комнаты ввода данных, и считывал их. Если в процессе расчетов был необходим компилятор языка Фортран, то оператору приходилось брать его из картотечного шкафа и загружать в машину отдельно. Из-за одного только хождения операторов по машинному залу впустую терялась масса драгоценного компьютерного времени.

Если учитывать высокую стоимость оборудования, не удивительно, что люди довольно скоро занялись поиском способа повышения эффективности использования машинного времени. Общепринятым решением стала система пакетной обработки. Первоначально замысел состоял в том, чтобы собрать полный поднос заданий (колод перфокарт) в комнате входных данных и затем переписать их на магнитную ленту, используя небольшой и (относительно) недорогой компьютер, например, IBM 1401, который был очень хорош для считывания карт, копирования лент и печати выходных данных, но не подходил для числовых вычислений.

Другие, более дорогостоящие машины, такие как IBM 7094, использовались для настоящих вычислений. Это изображено на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Ранняя система пакетной обработки: программист приносит карты для IBM 1401 (а); IBM 1401 записывает пакет заданий на магнитную ленту (б); оператор приносит входные данные на ленте к IBM 7094 (в); IBM 7094 выполняет вычисления (г); оператор переносит ленту с выходными данными на IBM 1401 (д); IBM 1401 печатает выходные данные (е)

Примерно после часа сбора пакета заданий лента перематывалась, и ее относили в машинную комнату, где устанавливали на лентопротяжном устройстве. Затем оператор загружал специальную программу (прообраз сегодняшней операционной системы), которая считывала первое задание с ленты и запускала его. Выходные данные записывались на вторую ленту вместо того, чтобы идти на печать. Завершив очередное задание, операционная система автоматически считывала с ленты следующее и начинала обрабатывать его. После обработки всего пакета оператор снимал ленты с входной и выходной информацией, ставил новую ленту со следующим заданием, а готовые данные помещал на IBM 1401 для печати в автономном режиме (то есть без связи с главным компьютером).

Структура типичного входного задания показана на рис. 1.3. Оно начиналось с карты $JOB, на которой указывалось максимальное время выполнения задания в минутах, загружаемый учетный номер и имя программиста. Затем поступала карта $FORTRAN, дающая операционной системе указание загрузить компилятор языка Фортран с системной магнитной ленты. Эта карта следовала за программой, которую нужно было компилировать, а после нее шла карта $LOAD, указывающая операционной системе загрузить только что скомпилированную объектную программу. (Скомпилированные программы часто записывались на временных лентах, данные с которых могли стираться сразу после использования, и их загрузка должна была выполняться явно.) Следом шла карта $RUN с данными, дающая операционной системе команду выполнять программу. Наконец, карта завершения $END отмечала конец задания. Эти примитивные управляющие перфокарты были предшественниками современных языков управления и интерпретаторов команд.

Большие компьютеры второго поколения использовались главным образом для научных и технических вычислений, таких как решение дифференциальных уравнений в частных производных, часто встречающихся в физике и инженерных задачах. В основном на них программировали на языке Фортран и ассемблере, а типичными операционными системами были FMS (Fortran Monitor System) и IBSYS (операционная система, созданная корпорацией IBM для компьютера IBM 7094).

К началу 60-х годов большинство изготовителей компьютеров имело две отдельные, полностью несовместимые производственные линии. С одной стороны, существовали научные крупномасштабные компьютеры с пословной обработкой текста типа IBM 7094, использовавшиеся для числовых вычислений в науке и технике. С другой стороны - коммерческие компьютеры с посимвольной обработкой, такие как IBM 1401, широко используемые банками и страховыми компаниями для сортировки и печатания данных.

Развитие и поддержка двух совершенно разных производственных линий для изготовителей были достаточно дорогим удовольствием. Кроме того, многим покупателям изначально требовалась небольшая машина, однако позже ее возможностей становилось недостаточно и требовался более мощный компьютер, который работал бы с теми же самыми программами, но быстрее.

Фирма IBM попыталась решить эти проблемы разом, выпустив серию машин IBM/360.360-е были серией программно-совместимых машин, варьирующихся от компьютеров размером с IBM 1401 до машин, значительно более мощных, чем IBM 7094. Эти компьютеры различались только ценой и производительностью (максимальным объемом памяти, быстродействием процессора, количеством разрешенных устройств ввода-вывода и т. д.). Так как все машины имели одинаковую структуру и набор команд, программы, написанные для одного компьютера, могли работать на всех других (по крайней мере, в теории). Кроме того, 360-е были разработаны для поддержки как научных (то есть численных), так и коммерческих вычислений. Одно семейство машин могло удовлетворить нужды всех покупателей. В последующие годы, используя более современные технологии, корпорация IBM выпустила компьютеры, совместимые с 360, эти серии известны под номерами 370, 4300, 3080 и 3090.

360-е стали первой основной линией компьютеров, на которой использовались мелкомасштабные интегральные схемы, дававшие преимущество в цене и качестве по сравнению с машинами второго поколения, созданными из отдельных транзисторов. Корпорация IBM добилась мгновенного успеха, а идею семейства совместимых компьютеров скоро приняли и все остальные основные производители. В компьютерных центрах до сих пор можно встретить потомков этих машин. В настоящее время они часто используются для управления огромными базами данных (например, для систем бронирования и продажи билетов на авиалиниях) или как серверы узлов Интернета, которые должны обрабатывать тысячи запросов в секунду. Основное преимущество "одного семейства" оказалось одновременно и величайшей его слабостью. По замыслу его создателей все программное обеспечение, включая операционную систему OS/360, должно было одинаково хорошо работать на всех моделях компьютеров: и в небольших системах, которые часто заменяли 1401-е и применялись для копирования перфокарт на магнитные ленты, и на огромных системах, заменяющих 7094-е и использовавшихся для расчета прогноза погоды и других сложных вычислений. Кроме того, предполагалось, что одну операционную систему можно будет использовать в системах как с несколькими внешними устройствами, так и с большим их количеством; а также как в коммерческих, так и в научных областях. Но самым важным было, чтобы это семейство машин давало результаты независимо от того, кто и как его использует.

Ни IBM, ни кто-либо еще не мог написать программного обеспечения, удовлетворяющего всем этим противоречивым требованиям. В результате появилась огромная и необычайно сложная операционная система, примерно на два или три порядка превышающая по величине FMS. Она состояла из миллионов строк, написанных на ассемблере тысячами программистов, содержала тысячи и тысячи ошибок, что повлекло за собой непрерывный поток новых версий, в которых пытались исправить эти ошибки. В каждой новой версии устранялась только часть ошибок, вместо них появлялись новые, так что общее их число, вероятно, оставалось постоянным.

Один из разработчиков OS/360, Фред Брукс (Fred Brooks), впоследствии написал остроумную и язвительную книгу с описанием своего опыта работы с OS/360. Мы не можем здесь дать полную оценку этой книги, но достаточно будет сказать, что на ее обложке изображено стадо доисторических животных, увязших в яме с дегтем. Обложка книги [302] демонстрирует похожую точку зрения на операционные системы, бывшие динозаврами в мире компьютеров.

Несмотря на свои огромные размеры и недостатки, OS/360 и подобные ей операционные системы третьего поколения, созданные другими производителями компьютеров, на самом деле достаточно неплохо удовлетворяли требованиям большинства клиентов. Они даже сделали популярными несколько ключевых технических приемов, отсутствовавших в операционных системах второго поколения. Самым важным достижением явилась многозадачность. На компьютере IBM 7094, когда текущая работа приостанавливалась в ожидании операций ввода-вывода с магнитной ленты или других устройств, центральный процессор просто бездействовал до окончания операции ввода-вывода. При сложных научных вычислениях и ограниченных возможностях процессора устройства ввода-вывода задействовались довольно редко, так что это потраченное впустую время не играло существенной роли. Но при коммерческой обработке данных время ожидания устройства ввода-вывода могло занимать 80 или 90 % всего рабочего времени, поэтому необходимо было что-нибудь сделать во избежание длительного простаивания весьма дорогостоящего процессора.

Решение этой проблемы заключалось в разбиении памяти на несколько частей, называемых разделами, каждому из которых давалось отдельное задание, как показано на рис. 1.4. Пока одно задание ожидало завершения работы устройства ввода-вывода, другое могло использовать центральный процессор. Если в оперативной памяти содержалось достаточное количество заданий, центральный процессор мог быть загружен почти на все 100 % по времени. Множество одновременно хранящихся в памяти заданий требовало наличия специального оборудования для защиты каждого задания от возможного любопытства и ущерба со стороны остальных заданий. 360-я и другие системы третьего поколения были снабжены подобными аппаратными средствами.

Рис. 1.4. Многозадачная система с тремя заданиями в памяти

Другим важным плюсом операционных систем третьего поколения стала способность считывать задание с перфокарт на диск по мере того, как их приносили в машинный зал. Всякий раз, когда текущее задание заканчивалось, операционная система могла загружать новое задание с диска в освободившийся раздел памяти и запускать его. Этот технический прием называется "подкачкой" данйых или спулингом (spooling, это английское слово произошло от аббревиатуры Simultaneous Peripheral Operation On Line - совместная периферийная операция в интерактивном режиме) и его также используют для выдачи полученных данных. С появлением подкачки стали больше не нужны 1401-е и исчезли многократные переносы магнитных лент.

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением Больших Интегральных Схем (LSI, Large Scale Integration) - кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно, отличались по цене. Если появление мини-компьютеров позволило отделам компаний и факультетам университетов иметь собственный компьютер, то с появлением микропроцессоров каждый человек получил возможность купить свой собственный персональный компьютер.

В 1974 году, когда компания Intel выпустила Intel 8080 - первый универсальный 8-разрядный центральный процессор, - для него потребовалась операционная система, с помощью которой можно было бы протестировать новинку. Компания Intel привлекла к разработкам и написанию нужной операционной системы одного из своих консультантов Гэри Килдэлла (Gary Kildall). Сначала Килдэлл с другом сконструировали контроллер для 8-дюймового гибкого диска, недавно выпущенного компанией Shugart Associates, и подключили этот диск к процессору Intel 8080. Таким образом, появился первый микрокомпьютер с диском. Затем Килдэлл создал дисковую операционную систему, названную СР/М (Control Program for Microcomputers - программа управления для микрокомпьютеров). Когда Килдэлл заявил о своих правах на СР/М, корпорация Intel удовлетворила его просьбу, поскольку не думала, что у микрокомпьютеров с диском есть будущее. Позже Килдэлл создал свою компанию Digital Research для дальнейшего развития и продажи СР/М.

В 1977 году компания Digital Research переработала СР/М, чтобы сделать эту систему пригодной для работы на микрокомпьютерах с процессорами Intel 8080 или Zilog Z80, а также с другими процессорами. Затем было написано множество прикладных программ, работающих в СР/М, что позволило СР/М занимать высшую позицию в мире микрокомпьютеров на протяжении 5 лет.

В начале 80-х корпорация IBM разработала IBM PC (Personal Computer - персональный компьютер) и начала искать для него программное обеспечение. Сотрудники IBM связались с Биллом Гейтсом (Bill Gates), чтобы получить лицензию на право использования его интерпретатора языка Бейсик (BASIC). Они также поинтересовались, не знает ли он операционную систему, которая работала бы на PC. Гейтс посоветовал обратиться к Digital Research, тогда главенствующей компании по операционным системам. Но Килдэлл отказался встречаться с IBM, послав вместо себя подчиненного. Что еще хуже, его адвокат даже отказался подписывать соглашение о неразглашении, касающееся еще не выпущенного PC, чем полностью испортил дело. Корпорация IBM снова обратилась к Гейтсу с просьбой обеспечить ее операционной системой.

После повторного запроса IBM Гейтс выяснил, что у местного изготовителя компьютеров, Seattle Computer Products, есть подходящая операционная система DOS (Disk Operating System - дисковая операционная система). Он направился в эту компанию с предложением выкупить DOS (предположительно за $50 000), которое компания Seattle Computer Products с готовностью приняла. Затем Гейтс создал пакет программ DOS/BASIC, и пакет был куплен IBM. Когда корпорация IBM захотела некоторых усовершенствований в программе, Билл Гейтс пригласил для этой работы Тима Патерсона (Tim Paterson), человека, написавшего DOS, ставшего первым служащим еще не оперившейся компании Гейтса Microsoft. Видоизмененная система была переименована в MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System) и быстро заняла доминирующее положение на рынке IBM PC. Самым важным оказалось решение Гейтса (как оказалось, чрезвычайно мудрое) продать MS-DOS компьютерным компаниям для установки вместе с их оборудованием, в отличие от попыток Килдэлла продавать СР/М конечным пользователям крайней мере, на начальной стадии).

После опубликования книги Чарльза Дарвина "Происхождение видов" немецкий зоолог Эрнст Хэккель (Ernst Haeckel) сформулировал правило: "Онтогенез повторяет филогенез". Сказав это, он имел в виду, что развитие зародыша (онтогенез) повторяет эволюцию видов (филогенез). Другими словами, человеческая яйцеклетка от момента оплодотворения до того, как стать человеческим ребенком, проходит через состояния рыбы, свиньи и т. д. Современные биологи считают такую модель очень сильно и грубо упрощенной, но все же в ней присутствует зерно истины.

Нечто подобное произошло в компьютерной промышленности. Каждый новый вид (мэйнфрейм, мини-компьютер, персональный компьютер, встроенный компьютер, смарт-карта и т. д.) проходит, видимо, через те же стадии развития, что и их предки. Первые мэйнфреймы программировались полностью на языке ассемблера. Даже такие сложные программы, как компиляторы и операционные системы, в те времена писали на ассемблере. Когда появились мини-компьютеры, на мэйнфреймах уже стали обычными Фортран, Кобол и другие языки программирования высокого уровня, но тем не менее на новых мини-компьютерах программировали на ассемблере (из-за недостатка памяти). Когда были созданы микрокомпьютеры (самые первые персональные компьютеры), программирование на них также велось на ассемблере, несмотря на то, что к этому времени на миникомпьютерах уже применялось программирование на языках высокого уровня. Карманные компьютеры тоже начинались с ассемблерных программ, но очень быстро перешли на языки высокого уровня (в основном за счет того, что к тому моменту они уже разрабатывались на больших машинах). То же самое относится и к смарт-картам.

А теперь взглянем на операционные системы. Первые мэйнфреймы изначально не имели защитного оборудования и поддержки многозадачности, поэтому на них работали простые операционные системы, управляющие в каждый конкретный момент времени только одной загруженной вручную программой. Позже на этих машинах появилось необходимое оборудование и операционные системы, поддерживающие управление одновременно несколькими программами, а затем и полная возможность работы в режиме разделения времени.

Когда мини-компьютеры только появились на свет, на них также не было защитной аппаратуры и в каждый конкретный момент времени могла работать только одна загруженная вручную программа, несмотря на то, что к тому времени многозадачность уже была разработана и хорошо работала в мире мэйнфреймов. Постепенно мини-компьютеры обзавелись защитным оборудованием и появилась возможность одновременной работы на них двух или более программ. На первых микрокомпьютерах также в каждый момент времени могла работать только одна программа, и только позже стал возможным многозадачный режим. Тем же путем развивались карманные компьютеры и смарт-карты.

Диски впервые появились на больших мэйнфреймах и только затем на миникомпьютерах, микрокомпьютерах и т. д. Даже сейчас на смарт-картах нет жесткого диска, но с появлением флэш-памяти вскоре будут созданы эквиваленты дисков и для карт. Лишь после возникновения первых дисков возникли примитивные файловые системы. На компьютере CDC 6600, который смело можно назвать самым мощным мэйнфреймом 60-х годов, пользователи файловой системы имели возможность создавать файл и затем объявлять этот файл постоянным. Это означало, что он останется на диске даже после завершения работы создавшей его программы. Для получения доступа к этому файлу программа должна была подключить его с помощью специальной команды, указав пароль (который задавался в тот момент, когда файл объявлялся постоянным). В сущности, тогда на компьютере был всего один каталог, совместно используемый всеми пользователями. Конфликты имен файлов должны были разрешаться самими пользователями. Так же все начиналось и на мини-компьютерах: ранние файловые системы имели один каталог, общий для всех пользователей; это верно и для ранних микрокомпьютерных файловых систем.

Виртуальная память (то есть виртуальное устройство, позволяющее работать программам, требующим больше памяти, чем физически имеется у компьютера) развивалась точно таким же образом. Сначала она появилась на мэйнфреймах, затем на мини-компьютерах, микрокомпьютерах и постепенно заработала на все меньших и меньших системах. Сети имеют очень похожую историю.

На самом верхнем уровне находятся операционные системы для мэйнфреймов. Эти компьютеры размером с комнату все еще можно встретить в центрах данных больших корпораций. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода-вывода. Довольно часто встречаются мэйнфреймы с тысячью дисков и терабайтами данных, а персональный компьютер с такими параметрами показался бы действительно необычным. Мэйнфреймы как бы возвращаются в виде мощных web-серверов, серверов для крупномасштабных электронно-коммерческих сайтов и серверов для транзакций в бизнесе.

Еще один вид операционной системы - это системы реального времени. Главным параметром таких систем является время. Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления машинами на фабрике. Часто такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Так, если автомобиль передвигается по конвейеру, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред машине. Если некоторое действие должно произойти в конкретный момент времени (или внутри заданного диапазона времени), мы имеем дело жесткой системой реального времени.

Самые маленькие операционные системы работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту, содержащее центральный процессор. На такие операционные системы накладываются крайне жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие операционные системы на тех же самых смарт-картах выполняют сложные функции. Зачастую они являются патентованными системами.

Операционная система тесно связана с оборудованием компьютера, на котором она должна работать. Аппаратное обеспечение влияет на набор команд операционной системы и управление его ресурсами. Поэтому нам необходим определенный объем знаний о компьютере, по крайней мере нужно представлять, в каком виде оборудование предстает перед программистом.

Концептуально простой персональный компьютер можно представить в виде абстрактной модели, аналогичной той, которая показана на рис. 1.5. Центральный процессор, память и устройства ввода-вывода соединены системной шиной, по которой они обмениваются друг с другом информацией. Современные персональные компьютеры имеют более сложную структуру, включающую несколько шин; мы вспомним об этом позже. Для начала модели, представленной на рисунке, вполне достаточно. В следующих разделах мы кратко рассмотрим отдельные компоненты и исследуем некоторые аппаратные аспекты, имеющие отношение к разработке операционной системы.

"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. Таким образом осуществляется выполнение программ.

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. Поэтому набор инструкций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохранения слова из регистра в памяти. Другие команды объединяют два операнда из регистров, памяти или и того и другого и получают результат. Например, складывают два слова и сохраняют результат в регистре или памяти.

Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных и временных результатов, 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. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр PSW целиком, но писать могут только в некоторые из его полей. Регистр PSW играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.

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 n он может декодировать команду с номером n + 1 и считывать команду с номером n + 2. Подобная организация процесса называется конвейером, три его стадии продемонстрированы на рис. 1.6, 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. У разработчиков компиляторов и операционных систем это свойство конвейеров часто вызывает головную боль.

Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный центральный процессор, продемонстрированный на рис. 1.6, б. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй - для операций с плавающей точкой и еще один - для логических операций. За один такт считывается две или более команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при этом подходе весьма неприятные усложнения коснулись и операционной системы.

Рис. 1.6. Конвейер с тремя стадиями (а); суперскалярный процессор (б)

Большинство центральных процессоров, кроме очень простых, используемых во встроенных системах, имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Обычно режим задается битом слова состояния процессора (регистра PSW). Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.

В противоположность этому программы пользователей работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены в пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре PSW, естественно, недоступна.

Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. Команда TRAP (эмулированное прерывание) переключает режим работы процессора из пользовательского в режим ядра и передает управление операционной системе. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом. Мы рассмотрим в деталях процесс системных вызовов позже в этой главе. В дальнейшем для выделения системных вызовов в тексте мы будем использовать такой же шрифт, как в этом слове: read.

Второй основной составляющей любого компьютера является память. В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работа центрального процессора не замедлялась обращениями к памяти), достаточно большой и чрезвычайно дешевой. На данный момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход. Системы памяти конструируются в виде иерархии слоев, как показано на рис. 1.7.

Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Они сделаны из того же материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре. Это составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т. д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых машинах есть два или даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.

Рис. 1.7. Типичная иерархическая структура памяти. Числа приблизительны

Далее следует оперативная память. Это главная рабочая область запоминающего устройства машины. Оперативную память часто называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, в англоязычной литературе RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом). Раньше иногда ее называли core memory - запоминающее устройство на магнитных сердечниках, поскольку в 50-е и 60-е годы в компьютерах для оперативной памяти использовали крошечные намагничиваемые ферритовые сердечники. Сейчас память составляет десятки и сотни мегабайт и растет с потрясающей скоростью. Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память.

Следующим в продемонстрированной на рисунке структуре идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и зачастую на два порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой продемонстрировано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Устройство жесткого диска

Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Механическая вилка поворачивается над дисками подобно звукоснимателю на старых граммофонах для проигрывания виниловых пластинок на скорости 33 оборота в минуту. Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки в каждой заданной позиции вилки могут прочитать кольцо на пластине, называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр.

Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс, в зависимости от диска. Когда головка располагается над правильной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Дальше, когда сектор уже находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с для низкоскоростных дисков до 160 Мбайт/с для самых высокоскоростных.

Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента. Этот носитель часто используется для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения очень больших наборов данных. Для доступа к информации на ленте ее сначала нужно поместить в устройство для чтения магнитных лент - это может делать человек или робот (автоматическое управление лентами обычно используется при работе с огромными базами). Затем лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс может длиться минуты. Большой плюс лент заключается в том, что они крайне дешевы и мобильны. Это очень важно для резервных копий, которые нужно содержать отдельно, чтобы они сохранились после стихийных бедствий, например пожаров, наводнений, землетрясений и т. д.

Описанная нами иерархия памяти достаточно типична, но в некоторых вариантах могут присутствовать не все уровни или несколько другие их виды (например, оптический диск). В любом случае при движении по иерархии сверху вниз время произвольного доступа значительно увеличивается от устройства к устройству, вместимость растет эквивалентно времени доступа, а стоимость одного бита информации падает столь же быстрыми темпами. Поэтому вполне вероятно, что такая структура памяти будет популярна еще долгие годы.

Кроме описанных выше видов во многих компьютерах есть небольшое количество постоянной памяти с произвольным доступом - в отличие от оперативной памяти, она не теряет свое содержимое при выключении энергии машины. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM, Read Only Memory - память только для чтения) программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. Такая память достаточно быстра и дешева. На некоторых компьютерах программы начальной загрузки, используемые при запуске компьютера, находятся в ПЗУ. Кроме того, некоторые карты ввода-вывода содержат ПЗУ для управления низкоуровневыми устройствами. Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш-ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно так же, как и ПЗУ. Дополнительное преимущество электрически стираемого ПЗУ и флэшОЗУ состоит в том, что с их помощью теперь можно исправить ошибки, содержащиеся в программах.

Существует еще один вид памяти, называемый CMOS и являющийся энергозависимым. Во многих компьютерах CMOS-память используется для хранения текущих даты и времени. CMOS-память и часовая микросхема, отвечающая за отсчет времени, получают питание от маленького аккумулятора, поэтому компьютер всегда показывает правильное время, даже если он был выключен. CMOS также может содержать конфигурационные параметры, например указание, с какого жесткого диска производить загрузку. CMOS-память используется для этих целей, так как она потребляет настолько мало энергии, что установленный на фабрике аккумулятор часто работает в течение нескольких лет. Однако если аккумулятор начинает выходить из строя, можно подумать, что компьютер стал страдать болезнью Альцгеймера и забывает то, о чем он помнил годами (например, с какого жесткого диска загружать систему).

Теперь более внимательно рассмотрим основную часть оперативной памяти. Зачастую крайне желательно держать сложные программы в памяти целиком. Если, например, одна программа находится в заблокированном состоянии, ожидая окончания операции чтения данных с диска, то другая программа может в это время использовать центральный процессор, что улучшает показатели эксплуатации процессора. Но при одновременном нахождении в памяти нескольких программ возникает необходимость решения двух следующих проблем:

1. Как защитить программы друг от друга, а ядро системы от всех них?
2. Как управлять перемещением программ в памяти?

Возможны различные решения этих вопросов. Но все они предполагают снабжение процессора специальным оборудованием.

Первая проблема достаточно очевидна, но второй вопрос требует пояснения. В процессе компилирования и компоновки программы компилятор и компоновщик не знают, в какую область физической памяти будет загружена программа после завершения процесса. По этой причине они обычно предполагают, что программа начнется с адреса 0, и помещают туда первую инструкцию. Предположим, что первая инструкция считывает из памяти слово, имеющее адрес 10 000, а вся программа и данные к ней были загружены, начиная с адреса 50 000. Тогда при выполнении первой команды появится сообщение об ошибке, поскольку она будет ссылаться на слово по адресу 10 000 вместо 60 000. Для решения этой проблемы нам нужно или "релоцировать" программу во время загрузки, то есть настроить ее, находя все адреса и изменяя их в соответствии с реальной адресацией (это выполнимо, но дорого), или оперативно изменять адресацию во время работы программы.

Простейшее решение показано на рис. 1.9, а. На рисунке видно, что компьютер оборудован двумя специальными регистрами: базовым и предельным. (Заметим, что в этой книге числа, начинающиеся с 0х, являются шестнадцатеричными в соответствии с правилами орфографии языка С, а числа, начинающиеся с нуля - восьмеричными.) Когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит, о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше, чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных (например, из адреса 10 000), аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра (например, 50 000) и передает сумму (60 000) памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ. Стоимость решения равна двум новым регистрам и незначительному увеличению времени, затрачиваемого на операцию (уходящего на проверку предела и суммирование).

Рис. 1.9. Используется одна пара база-предел. Программа имеет доступ к части памяти, находящейся между базой и пределом (а); используются две пары база-предел. Код программы находится между базой 1 и пределом 1, а данные к ней - между базой 2 и пределом 2 (б)

В результате проверки и преобразования данных адрес, сформированный программой и называемый виртуальным, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Более сложный диспетчер памяти показан на рис. 1.9, б. Здесь диспетчер памяти состоит из двух пар базового и предельных регистров: одна пара для текста программы, другая - для данных. Командный регистр и все другие ссылки на текст программы работают с парой 1, а ссылки на данные используют пару 2. Появляется возможность делить одну и ту же программу между несколькими пользователями и при этом хранить в памяти только одну копию программы, что было невозможно в первой схеме. Когда работает программа 1, четыре регистра расположены так, как показано стрелками на рис. 1.9, б слева. При работе программы 2 они располагаются так, как показано стрелками на рисунке справа. На самом деле существуют намного более сложные диспетчеры памяти, мы изучим их позже в этой книге. А сейчас нужно запомнить, что управление диспетчером памяти должно быть функцией операционной системы, так как нет уверенности, что пользователь сделает это корректно.

На характеристики памяти в основном влияют два аспекта. Во-первых, кэш скрывает относительно низкую скорость памяти. После того как программа работала некоторое время, кэш заполняется строками программы, увеличивая скорость. Однако когда операционная система переключается от одной программы к другой, кэш остается заполненным данными первой программы, а необходимые строки новой программы должны загружаться уже из физической памяти. Такая операция может стать главной причиной снижения производительности, если она происходит слишком часто.

Память не является единственным ресурсом, которым должна управлять операционная система. Устройства ввода-вывода также тесно взаимодействуют с операционной системой. Как видно из рис. 1.5, устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей: контроллера и самого устройства. Контроллер - это микросхема или набор микросхем на вставляемой в разъем плате, физически управляющая устройством. Он принимает команды операционной системы, например указание прочитать данные с устройства, и выполняет их.

Во многих случаях фактическое управление устройством очень сложно и требует высокого уровня детализации, поэтому в работу контроллера входит представление простого интерфейса для операционной системы. Контроллер диска может принять команду прочесть сектор 11 206 с диска 2. При этом контроллер должен преобразовать линейный номер сектора в номер цилиндра, сектора и головки. Операция преобразования усложняется тем фактом, что внешние цилиндры могут иметь больше секторов, чем внутренние, и что номера испорченных секторов отображаются на другие секторы. Затем контроллер должен определить, над каким цилиндром находится в данный момент головка, и дать ей последовательность импульсов, чтобы переместить ее на необходимое количество цилиндров.

Дальше нужно ждать, пока повернется диск, поместив требуемый сектор под головку. Затем начинается чтение и сохранение битов по мере поступления их с диска, удаление заголовка и вычисление контрольной суммы. Наконец, контроллер должен собрать полученные биты в слова и сохранить их в памяти. Для осуществления всей этой работы контроллеры часто содержат маленькие встроенные компьютеры, запрограммированные на выполнение подобных задач.

Следующей частью является само устройство. Устройства имеют достаточно простые интерфейсы, во-первых, потому что их возможности весьма невелики и, во-вторых, потому что нужно привести их к единому стандарту. Единый стандарт необходим, чтобы любой IDE-контроллер диска мог управлять любым IDE-диском. Аббревиатура IDE образована от Integrated Drive Electronics (встроенный интерфейс накопителей). IDE-интерфейс является стандартным для дисков на компьютерах с процессором Pentium, а также некоторых других компьютерах. Поскольку настоящий интерфейс устройства скрыт с помощью контроллера, операционная система видит только интерфейс контроллера, который может сильно отличаться от интерфейса самого устройства.

Так как все типы контроллеров отличаются друг от друга, для управления ими требуется различное программное обеспечение. Программа, которая общается с контроллером, отдает ему команды и получает ответы, называется драйвером устройства. Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых им операционных систем. Вы можете купить сканер с драйверами для Windows 98, Windows 2000 и UNIX. Если вы хотите получить возможность использовать драйвер, его нужно установить в операционную систему так, чтобы он мог работать в режиме ядра. Теоретически драйверы могут работать вне ядра, но такую возможность поддерживают всего несколько существующих систем, так как для этого требуется, чтобы драйвер в пространстве пользователя имел доступ к устройству неким контролируемым способом - очень редко поддерживаемое свойство. Есть три способа установки драйвера в ядро. Первый заключается в том, чтобы заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить систему. Так работает множество систем UNIX. Второй: создать запись во входящем в операционную систему файле, говорящую о том, что требуется драйвер, и затем перезагрузить систему. Во время начальной загрузки операционная система сама находит нужные драйверы и загружает их. Так работает система Windows. При третьем способе операционная система может принимать новые драйверы, не прерывая работы, и оперативно устанавливать их, не нуждаясь при этом в перезагрузке. Этот способ редко используется, но сейчас он становится все более и более распространенным. Такие съемные устройства, как шины USB и IEEE 1394 (мы поговорим о них ниже), всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.

Для связи с каждым контроллером существует небольшое количество регистров. Например, минимальный контроллер диска может иметь регистры для определения адреса на диске, адреса в памяти, номер сектора и направления операции (чтение или запись). Чтобы активизировать контроллер, драйвер получает команду от операционной системы, затем транслирует ее в величины, подходящие для записи в регистры устройства.

На некоторых компьютерах регистры устройств отображаются в адресное пространство операционной системы, поэтому их можно читать или записывать как обычные слова в памяти. На таких машинах не нужны специальные команды ввода-вывода, а программы пользователей можно оградить от аппаратуры, помещая эти адреса в памяти за пределами досягаемости программ (например, с помощью базового и предельного регистров). На других компьютерах регистры устройств располагаются в специальных портах ввода-вывода, и каждый регистр имеет свой адрес порта. На этих машинах в режиме работы ядра доступны команды IN и OUT, они позволяют драйверам считывать и записывать регистры. Первая схема устраняет необходимость специальных команд ввода-вывода, но использует некоторое количество адресного пространства. Вторая схема не затрагивает адресное пространство, но требует наличие специальных команд. Обе схемы широко используются.

Ввод и вывод данных можно осуществлять тремя различными способами. Простейший метод состоит в том, что пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры соответствующего драйвеpa. Затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет очень короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает (обычно есть некий бит, который указывает на то, что устройство все еще занято). По завершении операции ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу.

При втором способе драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывание по окончании ввода-вывода. После этого драйвер возвращает данные, операционная система блокирует программу вызова, если это нужно, и начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание, чтобы сигнализировать о завершении операции.

Прерывания очень важны в работе операционной системы, поэтому рассмотрим это понятие более внимательно. На рис. 1.10, а показан трехшаговый процесс ввода-вывода. На первом шаге драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройства. Затем контроллер запускает устройство. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний, используя определенные провода шины, - это шаг 2. На шаге 3, если контроллер прерываний готов к приему прерывания (а этого может и не быть, если он занят прерыванием более высокого приоритета), то он подает сигнал на определенный контакт процессора, таким образом информируя центральный процессор. На шаге 4 контроллер прерываний выставляет номер устройства на шину так, чтобы центральный процессор мог прочесть его и узнать, какое устройство только что завершило свою работу (ведь в одно и то же время могут работать несколько устройств).

Рис. 1.10. Действия, выполняемые при запуске устройства ввода-вывода и получении прерывания (а); обработка прерывания включает в себя получение прерывания, переход к обработчику прерываний и возврат к программе пользователя (б)

Как только центральный процессор решил принять прерывание, содержимое счетчика команд (PC) и слова состояния процессора (PSW) помещается в текущий стек, а процессор переключается в режим работы ядра. Номер устройства может использоваться как индекс части памяти, служащий для поиска адреса обработчика прерываний данного устройства. Эта часть памяти называется вектором прерываний. Когда обработчик прерываний (это часть драйвера устройства, пославшего прерывание) начинает свою работу, он удаляет расположенные в стеке счетчик команд и слово состояния процессора, сохраняет их и запрашивает устройство, чтобы получить информацию о его состоянии. После того как обработка прерывания целиком завершена, управление возвращается к работавшей до этого программе пользователя, к той команде, выполнение которой еще не было закон- закончено. Описанные шаги показаны на рис. 1.10, б.

Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контроллера прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства центрального процессора. Процессор вызывает микросхему DMA, говорит ей, сколько байтов нужно передать, сообщает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и позволяет дальше действовать ей самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается так же, как было описано выше. Контроллер DMA и аппаратура ввода-вывода более детально будут обсуждаться в главе 5.

Структура, показанная на рис. 1.5, в течение многих лет использовалась на миникомпьютерах, а также на первых моделях IBM PC. Но поскольку процессоры и память стали работать быстрее, возможности одной шины (и, конечно, шины IBM PC) по управлению всей передачей данных достигли своего предела. Нужно было что-то делать. В результате в систему добавились дополнительные шины как для ускорения общения с устройствами ввода-вывода, так и для пересылки данных между процессором и памятью. Вследствие этой эволюции сейчас большая система Pentium выглядит примерно так, как изображено на рис. 1.11.

У этой системы восемь шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером и его конфигурации должны находиться сведения обо всех этих шинах. Две основные шины - это ISA (Industry Standard Architecture - промышленная стандартная архитектуpa), оригинальная шина компьютера IBM PC, и ее преемник, шина PCI (Peripheral Component Interconnect - интерфейс периферийных устройств). Шина ISA впервые появилась на компьютерах IBM PC/AT, она работает на частоте 8,33 МГц и может передавать два байта за такт с максимальной скоростью 16,67 Мбайт/с. Она включена в систему для обратной совместимости со старыми медленными платами ввода-вывода. Шина PCI была создана компанией Intel в качестве преемницы шины ISA. Она может работать на частоте 66 МГц и передавать сразу по 8 байт за такт со скоростью 528 Мбайт/с. Сейчас большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода используют шины PCI. Даже некоторые компьютеры с процессорами, отличными от Intel, пользуются шиной PCI, поскольку с ней совместимо очень много плат ввода-вывода.

При такой конфигурации центральный процессор по локальной шине передает данные микросхеме PCI-моста, который, в свою очередь, обращается к памяти по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц. Системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и намного больший внешний кэш второго уровня (кэш L2), подключенный к процессору отдельной шиной кэша.

Рис. 1.11. Структура большой системы Pentium

Кроме того, в систему входят три специализированные шины: IDE, USB и SCSI. Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств к системе -дисков и устройств для чтения компакт-дисков (CD-ROM). IDE-шина - это потомок интерфейса контроллера диска на PC/AT, и сейчас она входит в стандартный комплект всех систем, основанных на процессорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) была придумана для того, чтобы присоединить к компьютеру все медленные устройства ввода-вывода, такие как клавиатура и мышь. Она использует маленький четырехпроводной разъем, причем два провода поставляют электропитание к USB-устройствам. USB - это централизованная шина, по которой главное устройство каждую миллисекунду опрашивает устройства ввода-вывода, чтобы узнать, есть ли у них данные. Она может управлять загрузкой данных со скоростью 1,5 Мбайт/с. Все USB-устройства используют один драйвер, избавляя нас тем самым от необходимости установки новых драйверов для каждого нового USB-устройства. Поэтому USB-устройства можно присоединять к системе без ее перезагрузки.

SCSI (Small Computer System Interface - системный интерфейс малых компьютеров) - это высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh с момента их появления, кроме того, она популярна в UNIX-системах и некоторых системах на базе процессоров Intel.

Есть еще одна шина (не показанная на рис. 1.11), называется IEEE 1394. Иногда ее также называют FireWire, хотя, строго говоря, FireWire - это название, данное компанией Apple собственной реализации шины 1394. Как и USB, IEEE 1394 является бит-последовательной шиной, но она поддерживает пакетную передачу данных со скоростью, достигающей 50 Мбайт/с. Это ее свойство позволяет подключать к компьютеру портативные цифровые видеокамеры и тому подобные мультимедийные устройства. В отличие от USB шина IEEE 1394 не имеет центрального контроллера. Шины SCSI и IEEE 1394 конкурируют с разработанной более быстрой версией шины USB.

Работая в окружении, изображенном на рис. 1.11, операционная система должна уметь распознавать аппаратные составляющие и уметь их настраивать. Это требование привело компании Intel и Microsoft к разработке системы персонального компьютера, называемой plug and play ("включи и работай"). В основе этой системы лежала концепция, близкая к той, что была впервые реализована компанией Apple Macintosh. До появления plug and play каждая плата ввода-вывода имела фиксированные адреса регистров ввода-вывода и уровень запроса прерывания. Например, клавиатура использовала прерывание 1 и адреса в диапазоне от 0x60 до 0x64; контроллер гибкого диска использовал прерывание 6 и адреса от 0x3F0 до 0x3F7; принтер пользовался прерыванием 7 и адресами от 0x378 до 0х37А и т. д.

Все в этой схеме было хорошо до тех пор, пока пользователь не покупал звуковую карту и модем, и оказывалось, что оба устройства случайно использовали, скажем, прерывание 4. В таком случае они конфликтовали и не могли работать вместе. Возможным решением было встроить набор DIP-переключателей или джамперов (jumper - перемычка) в каждую плату и объяснить пользователю необходимость настройки каждой платы таким образом, чтобы адреса портов и номера прерываний различных устройств не конфликтовали друг с другом. Подростки, посвятившие свою жизнь изучению тонкостей аппаратуры персонального компьютера, иногда могут сделать это без ошибок. К сожалению, кроме них это практически никому не удавалось, что приводило к полному хаосу.

Стандарт plug and play позволяет системе автоматически собирать информацию об устройствах ввода-вывода, централизованно назначать уровни прерывания и адреса ввода-вывода, а затем сообщать каждой плате эту информацию - вот краткое описание процесса. Такая система работает на компьютерах Pentium. Каждый компьютер с процессором Pentium содержит материнскую плату (в США благодаря успехам борьбы за политическую корректность эту плату теперь решено называть родительской). На материнской плате находится программа, называемая системой BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода). BIOS содержит программы ввода-вывода низкого уровня, включая процедуры для чтения с клавиатуры, вывода информации на экран, ввода-вывода данных с диска и т. д. В настоящее время эти функции хранятся во флэш-ОЗУ, которая в обычных условиях является неизменяемой, но, если в BIOS нашлись какие-либо ошибки, ее может изменить операционная система.

При начальной загрузке компьютера стартует система BIOS. Сначала она проверяет количество установленной в системе оперативной памяти, подключены ли клавиатура и другие основные устройства и корректно ли они отзываются. BIOS начинает проверку с шин ISA и PCI, чтобы определить все устройства, присоединенные к ним. Некоторые из этих устройств являются традиционными, их также называют унаследованными (legacy), то есть созданными до изобретения plug and play. Они имеют фиксированные уровни прерывания и адрес порта ввода-вывода (например, заданные с помощью переключателей или перемычек на плате ввода-вывода без возможности их изменения операционной системой). Эти устройства регистрируются. Устройства plug and play тоже регистрируются. Если присутствующие устройства отличаются от тех, что были во время последней загрузки, конфигурируются новые устройства.

Затем BIOS определяет устройство, с которого будет происходить загрузка, по очереди пробуя каждое из списка, хранящегося в CMOS-памяти. Пользователь может изменить этот список, войдя в конфигурационную программу BIOS сразу после загрузки. Обычно сначала делается попытка загрузиться с гибкого диска. Если это не удается, пробуется компакт-диск. Если в компьютере отсутствуют и гибкий диск, и компакт-диск, система загружается с жесткого диска. С загрузочного устройства считывается в память и выполняется первый сектор. В этом секторе находится программа, обычно проверяющая таблицу разделов в конце загрузочного сектора, чтобы определить, который из разделов является активным. Затем из того же раздела читается вторичный загрузчик. Он считывает из активного раздела операционную систему и запускает ее.

Ключевое понятие операционной системы - процесс. Процессом, по существу, называют программу в момент выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство - список адресов в памяти от некоторого минимума (обычно нуля) до некоторого максимума, которые процесс может прочесть и в которые он может писать. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и другие аппаратные регистры, плюс вся остальная информация, необходимая для запуска программы.

Мы более детально рассмотрим понятие процесса в главе 2, но сейчас для того, чтобы интуитивно осознать, что это такое, вспомним о системах, работающих в режиме разделения времени. Предположим, периодически операционная система решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый израсходовал отведенную для него часть рабочего времени центрального процессора в прошедшую секунду.

Если процесс был приостановлен подобным образом, позже он должен быть запущен заново из того же состояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо явно сохранить на время его приостановки. Например, процесс может иметь открытыми для чтения несколько файлов одновременно. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию (то есть номер байта или записи, которые будут прочитаны следующими). При временном прекращении процесса все указатели нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице операционной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представляет собой массив (или связанный список) структур, по одной на каждый существующий в данный момент процесс.

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image, core в переводе означает "сердечник", в честь использовавшейся давным-давно памяти на магнитных сердечниках), и компонентов таблицы процесса, содержащей, помимо других величин, его регистры.

Главными системными вызовами, управляющими процессами, являются вызовы, связанные с созданием и окончанием процессов. Рассмотрим типичный пример. Процесс, называемый интерпретатором команд или оболочкой (shell), читает команды с терминала. Пользователь только что напечатал команду, содержащую запрос на компиляцию программы. Теперь оболочка должна создать новый процесс, который запустит компилятор. Когда процесс закончит компиляцию, он выполнит системный вызов, завершающий его собственную работу.

Если процесс может создавать несколько других процессов (называющихся дочерними процессами), а эти процессы, в свою очередь, тоже могут создать дочерние процессы, перед нами предстает дерево процессов, изображенное на рис. 1.12. Связанные процессы - это те, которые объединены для выполнения некоторой задачи, и им нужно часто передавать данные от одного к другому и синхронизировать свою деятельность. Такая связь называется межпроцессным взаимодействием и будет обсуждена в деталях в главе 2.

Рис. 1.12. Дерево процесса. Процесс А создал два дочерних процесса В и С. Процесс В создал три дочерних процесса D, Е и F

Другие системные вызовы предназначаются для запросов о предоставлении дополнительной памяти (или освобождении не использующейся памяти), ожидании завершения дочерних процессов и наложении одной программы на другую.

Время от времени необходимо передавать информацию работающему процессу так, чтобы он не простаивал в ожидании получения этой информации. Например, процесс, связанный с другим процессом на удаленном компьютере, делает это, посылая сообщения по сети. Чтобы предотвратить возможность потери сообщения или ответа на него, отправитель может потребовать от собственной операционной системы уведомления, если по истечении определенного интервала ожидания не будет получено подтверждение о получении сообщения. В этом случае он сможет повторить отправку сообщения. После установки таймера программа продолжит выполнение другой работы.

Если по истечении определенного количества секунд ответа нет, операционная система посылает процессу сигнал тревоги. Сигнал вызывает временную остановку работы процесса независимо от того, что процесс делает в данный момент; сохраняет его регистры в стеке и запускает специальную процедуру обработки сигнала (например, передающую повторно предположительно потерянное сообщение). После завершения обработки сигнала работающий процесс запускается заново в том состоянии, в котором он находился до сигнала. Сигналы являются программными аналогами аппаратных прерываний и могут быть сгенерированы по различным причинам, а не только из-за истечения какого-либо интервала времени. Многие аппаратные прерывания (например, вызванные выполнением недопустимой команды или использованием неправильного адреса) также преобразуются в сигналы процессу, в котором произошла ошибка.

Каждому пользователю, которому разрешено пользоваться системой, системный администратор присваивает UID (User IDentification - идентификатор пользователя). У каждого работающего процесса есть идентификатор пользователя, запустившего его. Дочерний процесс получает тот же самый UID, что и его родитель. Пользователи могут становиться членами групп, каждая из которых имеет идентификатор группы (GID, Group IDentification).

Пользователь с особым идентификатором UID, называемый в UNIX "суперпользователем" (superuser), имеет особые полномочия и может игнорировать множество правил защиты. В огромных системах только системный администратор знает пароль, необходимый для того, чтобы стать суперпользователем. Однако множество обыкновенных пользователей (особенно студенты) тратят значительное количество времени и труда на то, чтобы найти брешь в системе, которая позволит им стать суперпользователями без пароля.

Когда взаимодействуют два или более процессов, они могут попадать в патовые ситуации, из которых невозможно выйти без посторонней помощи. Такая ситуация называется тупиком, тупиковой ситуацией или взаимоблокировкой.

Тупиковую ситуацию легче всего представить с помощью примера из реального мира, с которым знаком каждый, - это пробки на дорогах. Обсудим ситуацию на рис. 1.13, а. Четыре автобуса приближаются к перекрестку. За каждым автобусом есть еще машины (они не показаны на рисунке). При определенном невезении первые четыре автобуса прибудут на перекресток одновременно, что приведет к ситуации, показанной на рис. 1.13, б. Все автобусы заблокировали друг друга, поскольку ни один автобус не может двигаться вперед. Каждый автобус блокирует остальные. При этом они не могут двигаться назад, потому что за ними есть еще автобусы. И нет простого способа выпутаться из этой ситуации.

Рис. 1.13. Потенциальная взаимоблокировка (а); фактическая взаимоблокировка (б)

В каждом компьютере есть оперативная память, используемая для хранения выполняющихся программ. В очень простых операционных системах в конкретный момент времени в памяти может находиться только одна программа. Для запуска второй программы сначала нужно удалить из памяти первую и загрузить на ее место вторую. Более изощренные системы позволяют одновременно находиться в памяти нескольким программам. Для того чтобы они не мешали друг другу (и операционной системе), необходим некий защитный механизм. Хотя этот механизм располагается в аппаратуре, он управляется операционной системой.

Вышеизложенная точка зрения имеет отношение к управлению оперативной памятью компьютера и к ее защите. Другой, но не менее важный, связанный с памятью вопрос - это управление адресным пространством процессов. Обычно под каждый процесс отводится некоторый набор адресов, которые он может использовать, чаще всего начинающийся с 0 и продолжающийся до некого максимума. В простейшем случае максимальная величина адресного пространства для процесса меньше основной памяти. Тогда процесс может заполнить свое адресное пространство, и памяти хватит на то, чтобы содержать его целиком.

Во всех компьютерах есть физическое устройство для получения входных данных и вывода информации. Посудите сами, что хорошего было бы в компьютере, если бы пользователи не могли сказать ему, что делать, и не могли получить результаты после завершения выполненной работы? Существует много видов устройств ввода-вывода, например клавиатуры, мониторы, принтеры и т. д. Всеми ими должна управлять операционная система.

Файловая система - это еще одно ключевое понятие, поддерживаемое виртуально всеми операционными системами. Как было замечено ранее, основной функцией операционной системы является скрытие особенностей дисков и других устройств ввода-вывода и предоставление пользователю понятной и удобной абстрактной модели независимых от устройств файлов. Системные вызовы очевидно необходимы для создания, удаления, чтения или записи файлов. Перед тем как прочитать файл, его нужно разместить на диске и открыть, а после прочтения его нужно закрыть. Все эти функции осуществляют системные вызовы.

Предоставляя место для хранения файлов, операционные системы используют понятие каталога (directory) как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса (для программ, необходимых в рамках этого курса), каталог для электронной почты, и еще один - для своей домашней web-страницы. Для создания и удаления каталогов также необходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение существующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталогов могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру - файловую систему, - как показано на рис. 1.14.

Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев, но на этом сходство заканчивается. Иерархия процессов обычно не очень глубока (в ней редко бывает больше трех уровней), тогда как файловая структура достаточно часто имеет четыре, пять или даже больше уровней в глубину. Иерархия процессов обычно живет очень недолго, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами. Принадлежность и защита также различны для процессов и файлов. Обычно только родительский процесс может управлять или даже просто иметь доступ к дочернему процессу, однако практически всегда существует механизм, позволяющий читать файлы и каталоги не только владельцу файла, а более широкой группе пользователей.

Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинается из вершины структуры каталогов, называемой корневым каталогом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, которые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов косой чертой. На рис. 1.14 путь к файлу CS101 выглядит как /Faculty/Prof.Brown/Courses/CS101. Первая косая черта говорит о том, что этот путь - абсолютный, то есть начинается от корневого каталога. В MS-DOS и Windows для разделения компонентов вместо символа косой черты используется обратная косая черта (\). Тогда этот путь будет выглядеть так: \Faculty \Prof.Brown \Courses\CS101. В нашей книге для записи пути мы в основном будем использовать соглашения UNIX.

Рис. 1.14. Файловая система факультета университета

В каждый момент времени у каждого процесса есть текущий рабочий каталог, в котором ищутся пути файлов, не начинающиеся с косой черты. Например, если на рис. 1.14 /Faculty/Prof.Brown является рабочим каталогом, то использование пути Courses/CS101 даст тот же самый файл, что и абсолютный путь, написанный выше. Процессы могут изменять свой рабочий каталог, используя системные вызовы.

Перед тем как прочесть или записать файл, его нужно открыть, в это же время проверяется разрешение доступа. Если доступ разрешен, система возвращает небольшое целое число, называемое дескриптором файла и используемое в последующих операциях. Если доступ запрещен, то возвращается код ошибки.

Другое важное понятие в UNIX - это установленная (смонтированная) файловая система. Почти все персональные компьютеры имеют один или два дисковода для гибких дисков, куда можно вставить и откуда можно вынуть диск. Чтобы предоставить возможность общения со сменными носителями (включая компакт-диски), UNIX позволяет присоединять файловую систему сменного диска к главному дереву. Рассмотрим ситуацию на рис. 1.15, а. Перед вызовом системной процедуры mount корневая файловая система на жестком диске и вторая файловая система на гибком диске существуют раздельно и никак не связаны между собой.

Рис. 1.15. Перед установкой файлы на диске 0 недоступны (а); после монтирования они становятся частью общей файловой структуры (б)

Однако файлы на гибком диске нельзя использовать, потому что для них невозможно определить путь. UNIX не позволяет присоединять к началу пути название диска или его номер, так как это привело бы к жесткой зависимости от устройств, которой операционная система должна избегать. Вместо этого системный вызов mount позволяет присоединять файловую систему на гибком диске к корневой файловой системе в том месте, где этого захочет программа. На рис. 1.15, 6 файловая система гибкого диска была установлена в каталог b, таким образом, обеспечен доступ к файлам по путям /b/х/ и /b/y. Если каталог b содержал какие-либо файлы, они будут недоступны, пока смонтирован гибкий диск, так как теперь /b ссылается на корневой каталог гибкого диска. (Невозможность доступа к этим файлам не так страшна, как кажется с первого взгляда: файловые системы почти всегда устанавливаются в пустые каталоги.) Если система содержит несколько жестких дисков, они все могут быть встроены в одно дерево таким же образом.

Еще одно важное понятие в UNIX - это специальный файл. Специальные файлы служат для того, чтобы устройства ввода-вывода выглядели как файлы. При этом можно прочесть информацию из специальных файлов или записать ее туда с помощью тех же самых системных вызовов, что используются для чтения и записи файлов. Существует два вида специальных файлов: блочные специальные файлы и символьные специальные файлы. Блочные специальные файлы используются для моделирования устройств, состоящих из набора произвольно адресуемых блоков, таких как диски. Открывая блочный специальный файл и читая, скажем, блок 4, программа может напрямую получить доступ к четвертому блоку на устройстве, без обращения к содержащейся на нем файловой системе. Таким же образом символьные специальные файлы используются для моделирования принтеров, модемов и других устройств, которые принимают или выдают поток символов. По соглашению специальные файлы хранятся в каталоге /dev. Например, /dev/lp может быть строковым принтером. И последнее понятие, которое мы обсудим во введении, - это каналы (pipe), имеющие отношение и к процессам и к файлам. Канал (также иногда называемый трубой) представляет собой псевдофайл, который можно использовать для связи двух процессов, как показано на рис. 1.16. Если процессы А и В захотят пообщаться с помощью канала, они должны установить его заранее. Когда процесс А хочет отправить данные процессу В, он пишет их в канал, как если бы это был выходной файл. Процесс В может прочесть данные, читая их из канала, как если бы он был файлом с входными данными. Таким образом, соединение между процессами в UNIX выглядит очень похожим на обычное чтение и запись файлов. Более того, только сделав специальный системный вызов, процесс может обнаружить, что выходной файл, в который он пишет данные, не реальный файл, а канал. Файловые системы очень важны. Мы расскажем о них значительно больше в главе 6, а также в главах 10 и 11.

Компьютеры содержат большое количество информации, конфиденциальность которой пользователи зачастую хотят сохранить: электронную почту, бизнес-планы и многое другое. В задачу операционной системы входит управление системой защиты подобных файлов, так чтобы они, например, были доступны только пользователям, имеющим на это права.

В качестве простейшего примера, дающего представление о том, как работает система безопасности, рассмотрим систему UNIX. В UNIX для защиты файлов им присваивается 9-битовый двоичный код. Этот код защиты состоит из трех полей по три бита; одно для владельца, второе для других членов группы владельца (пользователи разделяются на группы системным администратором) и третье - для всех остальных. В каждом поле есть бит, определяющий доступ для чтения, бит, определяющий доступ для записи, и бит, разрешающий выполнение. Эти три бита называются rwx-битами (read, write, execute). Например, код защиты rwxr-x-x означает, что владелец файла может читать, писать или выполнять файл, другие члены группы могут читать или выполнять файл (но не писать в него), а остальные могут только выполнять файл (но не читать или писать). Для каталога х означает разрешение на поиск. Дефис означает, что соответствующее разрешение отсутствует.

Операционная система представляет собой программу, выполняющую системные вызовы. Редакторы, компиляторы, ассемблеры, компоновщики и командные интерпретаторы не являются частью операционной системы, несмотря на их большую важность и полезность. Поскольку есть риск запутаться в этих вещах, в данном разделе мы кратко рассмотрим только командный интерпретатор UNIX, называемый оболочкой (shell). Хотя она не входит в операционную систему, но во всю пользуется многими функциями операционной системы и поэтому является хорошим примером того, как могут применяться системные вызовы. Кроме этого, оболочка предоставляет основной интерфейс между пользователем, сидящим за своим терминалом, и операционной системой, если, конечно, пользователь не использует графический интерфейс. Существует множество оболочек, например sh, csh, ksh и bash. Все они поддерживают описанные ниже функции, поскольку произошли от первоначальной оболочки (sh).

Когда какой-либо пользователь входит в систему, запускается оболочка. Стандартным входным и выходным устройством для оболочки является терминал (монитор с клавиатурой). Оболочка начинает работу с печати приглашения (prompt) - знака доллара, говорящего пользователю, что оболочка ожидает ввода команды. Если теперь пользователь напечатает, например,

date 

оболочка создаст дочерний процесс и запустит программу date. Пока дочерний процесс работает, оболочка ожидает его завершения. После завершения дочернего процесса оболочка опять печатает приглашение и пытается прочесть следующую входн