1.2. Аппаратные средства: оперативная память
Из всех аппаратных средств компьютера оперативная память является, пожалуй, наиболее важным. В своей самой «сырой» форме оперативная память — это всего лишь огромное хранилище для последовательности нулей и единиц. Каждый ноль или единица называется битом. Именно здесь располагаются запущенное ядро и процессы — они являются лишь большими наборами битов. Все входные и выходные данные от периферийных устройств проходят через оперативную память также в виде наборов битов. Центральный процессор просто оперирует с памятью: он считывает из нее инструкции и данные, а затем записывает данные обратно в память.
Вам часто будет встречаться термин «состояние», который будет относиться к памяти, процессам, ядру и другим частям компьютерной системы. Строго говоря, состояние — это какое-либо упорядоченное расположение битов. Например, если в памяти находятся четыре бита, то последовательности 0110, 0001 и 1011 представляют три различных состояния.
Если принять во внимание то, что процесс может с легкостью состоять из миллионов бит в памяти, зачастую проще использовать абстрактные термины, говоря о состояниях. Вместо описания состояния с применением битов вы говорите о том, что произошло или происходит в данный момент. Например, вы можете сказать «данный процесс ожидает входных данных» или «процесс выполняет второй этап процедуры запуска».
ПРИМЕЧАНИЕ
Поскольку при описании состояния обычно используются абстрактные понятия, а не реальные биты, для обозначения какого-либо физического размещения битов применяется термин «образ».
1.3. Ядро
Практически все, что выполняет ядро, касается оперативной памяти. Одной из задач ядра является распределение памяти на несколько подразделов, после чего ядро должно постоянно содержать в порядке информацию о состоянии этих подразделов. Каждый процесс использует выделенную для него область памяти, и ядро должно гарантировать то, что процессы придерживаются своих областей.
Ядро отвечает за управление задачами в четырех основных областях системы.
• Процессы. Ядро отвечает за то, каким процессам разрешен доступ к центральному процессору.
• Память. Ядру необходимо отслеживать состояние всей памяти: какая часть в данный момент отведена под определенные процессы, что можно выделить для совместного использования процессами и какая часть свободна.
• Драйверы устройств. Ядро выступает в качестве интерфейса между аппаратными средствами (например, жестким диском) и процессами. Как правило, управление аппаратными средствами выполняется ядром.
• Системные вызовы и поддержка. Обычно процессы используют системные вызовы для взаимодействия с ядром.
Теперь мы вкратце рассмотрим каждую из этих областей.
ПРИМЕЧАНИЕ
Подробности о работе ядра вы можете узнать из книг Operating System Concepts («Основные принципы операционных систем»), 9-е издание, авторы: Авраам Зильбершатц (Abraham Silberschatz), Питер Б. Гелвин (Peter B. Galvin) и Грег Гэнн (Greg Gagne) (Wiley, 2012) и Modern Operating Systems («Современные операционные системы»), 4-е издание, авторы: Эндрю С. Таненбаум (Andrew S. Tanenbaum) и Герберт Бос (Herbert Bos) (Prentice Hall, 2014).
1.3.1. Управление процессами
Управление процессами описывает запуск, остановку, возобновление и прекращение работы процессов. Понятия, которые стоят за процессами запуска и прекращения процессов, достаточно просты. Немного сложнее описать то, каким образом процесс использует центральный процессор в нормальном режиме работы.
В любой современной операционной системе несколько процессов функционируют «одновременно». Например, в одно и то же время вы можете запустить на компьютере браузер и открыть электронную таблицу. Тем не менее на самом деле все обстоит не так, как выглядит: процессы, которые отвечают за эти приложения, как правило, не запускаются в точности в один момент времени.
Рассмотрим систему с одним центральным процессором. Его могут использовать несколько процессов, но в каждый конкретный момент времени только один процесс может в действительности применять процессор. На практике каждый процесс использует процессор в течение малой доли секунды, а затем приостанавливается; после этого другой процесс применяет процессор в течение малой доли секунды; далее наступает черед третьего процесса и т. д. Действие, при котором какой-либо процесс передает другому процессу управление процессором, называется переключением контекста.
Каждый отрезок времени — квант времени — предоставляет процессу достаточно времени для выполнения существенных вычислений (и, конечно же, процесс часто завершает свою текущую задачу в течение одного кванта). Поскольку кванты времени настолько малы, человек их не воспринимает и ему кажется, что в системе одновременно выполняется несколько процессов (такая возможность известна под названием «многозадачность»).
Ядро отвечает за переключение контекста. Чтобы понять, как это работает, представим ситуацию, в которой процесс запущен в режиме пользователя, но его квант времени заканчивается. Вот что при этом происходит.
1. Процессор (реальное аппаратное средство) прерывает текущий процесс, опираясь на внутренний таймер, переключается в режим ядра и возвращает ему управление.
2. Ядро записывает текущее состояние процессора и памяти, которые будут необходимы для возобновления только что прерванного процесса.
3. Ядро выполняет любые задачи, которые могли появиться в течение предыдущего кванта времени (например, сбор данных или операции ввода/вывода).
4. Теперь ядро готово к запуску другого процесса. Оно анализирует список процессов, готовых к запуску, и выбирает какой-либо из них.
5. Ядро готовит память для нового процесса, а затем подготавливает процессор.
6. Ядро сообщает процессору, сколько будет длиться квант времени для нового процесса.
7. Ядро переводит процессор в режим пользователя и передает процессору управление.
Переключение контекста дает ответ на важный вопрос: когда работает ядро? Ответ следующий: ядро работает между отведенными для процессов квантами времени, когда происходит переключение контекста.
В системе с несколькими процессорами дело обстоит немного сложнее, поскольку ядру нет необходимости прекращать управление текущим процессором, чтобы позволить запуск какого-либо процесса на другом процессоре. И тем не менее, чтобы извлечь максимальную пользу из всех доступных процессоров, ядро все же так поступает (и может применить определенные хитрости, чтобы получить дополнительное процессорное время).
1.3.2. Управление памятью
Поскольку ядро должно управлять памятью во время переключения контекста, оно наделено этой сложной функцией. Работа ядра сложна, поскольку необходимо учитывать следующие условия:
• ядро должно располагать собственной областью памяти, к которой не могут получить доступ пользовательские процессы;
• каждому пользовательскому процессу необходима своя область памяти;
• какой-либо пользовательский процесс не должен иметь доступ к области памяти, предназначенной для другого процесса;
• пользовательские процессы могут совместно использовать память;
• некоторые участки памяти для пользовательских процессов могут быть предназначены только для чтения;
• система может применять больше памяти, чем ее есть в наличии, задействовав в качестве вспомогательного устройства дисковое пространство.
У ядра есть помощник. Современные процессоры содержат модуль управления памятью (MMU), который активизирует схему доступа к памяти под названием «виртуальная память». При использовании виртуальной памяти процесс не обращается к памяти напрямую по ее физическому расположению в аппаратных средствах. Вместо этого ядро настраивает каждый процесс таким образом, словно в его распоряжении находится вся машина. Когда процесс получает доступ к памяти, модуль MMU перехватывает такой запрос и применяет карту адресов памяти, чтобы перевести местоположение памяти, полученное от процесса, в физическое положение памяти на компьютере. Однако ядро все же должно инициализировать, постоянно поддерживать и изменять эту карту адресов. Например, во время переключения контекста ядро должно изменить карту после отработавшего процесса и подготовить его для наступающего.