Аппаратная архитектура и поддержка ОС

Существует несколько различных определений того, что следует считать аппаратной архитектурой ЭВМ, каждое из таких определений "работает" для определенного класса задач. Мы, как программисты, воспользуемся таким определением:

Аппаратной архитектурой называются те компоненты вычислительной системы, через которые программное обеспечение взаимодействует с аппаратурой.

Таким образом, в аппаратную архитектуру попадают не все компоненты компьютера, а только программно доступные - те, состоянием и действием которых программа может управлять или с которых программа может считать информацию. В состав этих средств входят:

система команд процессора;
регистры процессора;
память;
система ввода-вывода;
система прерываний.

Аппаратную поддержку управления памятью и вводом-выводом мы рассматриваем отдельно (в главах 3 и 6 соответственно).

Система команд процессора - обеспечивает выполнение программой действий по обработке данных. Большинство команд в системе команд процессора имеет прикладное назначение, однако в некоторые команды из набора команд процессора предназначены для организации управления вычислительным процессом и, таким образом, непосредственно поддерживают функционирование ОС. Такие команды в современных системах являются привилегированными - это, например, команды ввода-вывода и изменения состояния системы. Современные ОС рассчитаны на наличие в вычислительной системе двух (как минимум) режимов функционирования процессора - привилегированного режима (режим ядра в терминологии Unix) и непривилегированного режима (режим процесса в Unix). Если программа, выполняющаяся в режиме ядра, может выполнять любые команды, то для программы, выполняющейся в режиме процесса, привилегированные команды запрещены. Попытка программы выполнить привилегированную команду в режиме процесса вызывает исключение (см. ниже). В системе ESA, например, таких основных состояний два (есть еще ряд промежуточных) [26], они называются "супервизор" и "задача", такие же названия они имеют в процессоре Power PC.
В процессорах Intel- Pentium аналогичную роль играют уровни привилегий, они же - кольца защиты [23], причем из четырех аппаратно обеспечиваемых уровней привилегий в современных ОС используются два или три. Возможность для пользователя разрабатывать модули, работающие в режиме ядра, обычно строго регламентируется ОС. Хорошо защищенная ОС должна безоговорочно пресекать попытки процесса перейти в состояние ядра.

В число регистров процессора входят регистры общего назначения, которые в основном используются для манипулирования с прикладными данными, но также и специальные регистры, такие как регистр адреса команды, регистр флагов-признаков, регистр режима процессора и т.п. Содержимое регистра режима процессора определяет привилегированное или непривилегированное состояние процессора, команды, изменяющие содержимое этого регистра, обязательно являются привилегированными. В различных архитектурах специальные регистры могут либо представлять собой отдельные аппаратные компоненты, либо интегрироваться в более сложные аппаратные структуры.

Содержимое специальных аппаратных регистров процессора (обязательно включая регистр адреса команды) составляет вектор состояния программы/процесса. В большинстве процессорных архитектур вектор состояния может быть загружен в соответствующие регистры или считан из них в память одной или несколькими командами. Так, в процессорах Intel-Pentium имеется структура данных, называемая TSS (Task State Segment - сегмент состояния задачи), содержимое которой играет роль вектора состояния. При выполнении команд JMP или CALL, адресующих дескриптор TSS, процессор среди прочих действий сохраняет содержимое регистров в TSS текущей задачи и загружает регистры из TSS новой задачи [23]. В процессоре S/390 [26] имеется 8-байтная структура PSW (Program Status Word - слово состояния программы), содержащая значительную часть информации вектора состояния (кроме содержимого регистров общего назначения), и имеются две команды - LPSW и SPSW для загрузки и запоминания PSW соответственно.

Прерывание состоит в прекращении выполнения текущей программы и передаче управления на другую программу - программу обработки прерывания. При этом сохраняется возможность возврата в прерванную программу, в ту точку, в которой ее выполнение было прервано. При всем разнообразии аппаратных архитектур выполнение прерывания в них происходит примерно по одному сценарию:

сохраняется вектор состояния прерванной программе (в стеке или в специально предназначенной для этого области оперативной памяти);
в регистры процессора загружается некоторый вектор состояния, заранее "заготовленный";
в "заготовленном" векторе состояния регистр адреса команды содержит адрес программы обработки прерывания, таким образом, управление передается на программу обработки прерывания
как правило, программа обработки прерывания сохраняет содержимое регистров общего назначения, а затем выполняет действия, предусмотренные для данного прерывания;
после выполнения своих действий программа обработки прерывания восстанавливает содержимое регистров общего назначения прерванной программы, а затем восстанавливает ее запомненный ранее вектор состояния;
прерванная программа продолжает свое выполнение с точки прерывания, даже "не заметив", что было принято и обработано прерывание.

Различаются прерывания трех типов: внешние, программные и исключения.

Внешние прерывания поступают от источников внешних по отношению к процессору. Такими источниками являются внешние устройства, другие процессоры и т.д. При помощи такого прерывания внешний источник сигнализирует о каком-либо изменении своего состояния, требующем реакции системы. Внешние прерывания являются важнейшим компонентом управления вводом-выводом. Внешнее прерывание является асинхронными, то есть, оно поступает в непредсказуемые моменты и невозможно предугадать, какой участок программного кода будет прерван внешним прерыванием. Команды процессора обладают свойством атомарности в отношении внешних прерываний: внешнее прерывание не может быть принято, пока не закончится выполнение текущей команды.

При сохранении вектора состояния в нем запоминается адрес той команды, которая должна выполняться после той команды, во время выполнения которой произошло внешнее прерывание.

Программное прерывание вызывается специальной командой процессора (в Intel-Pentium мнемоника этой команды - INT, в ESA и Power PC - SVC). Выполняется программное прерывание так же, как и внешнее, но, в отличие от внешних, программные прерывания являются синхронными, так как они вызываются самой программой. Программные прерывания являются средством обращения процесса к ОС, механизмом системного вызова. Обычные команды передачи управления - типа команд CALL или JMP изменяют регистр адреса команды, но не весь вектор состояния. Прерывание же позволяет изменить весь вектор состояния, то есть, не только передать управление на другую программу, но и перевести процессор из непривилегированного режима в привилегированный.

Прерывания, называемые исключениями (exception) или ловушками (trap), вызываются ошибочными ситуациями при выполнении команды. В отличие от внешних или программных прерываний, исключения прерывают выполнение команды на середине. Вектор состояния, запоминаемый при выполнении исключения, таков, что его восстановление приводит к повторному выполнению команды, вызвавшей исключение. Исключение, например, генерируется при неправильном коде команды, при попытке выполнить привилегированную команду в не привилегированном режиме, при попытке команды обращения к недоступной области памяти и т.д. Как правило, обработка ОС прерывания-исключения приводит к принудительному аварийному завершению процесса, в котором произошло исключение (и запомненный вектор состояния уже не восстанавливается). Однако в некоторых случаях (некоторые из таких случаев рассматриваются нами в последующих главах) исключение является штатной ситуацией, "замаскированной" формой системного вызова, сигнализирующего ОС о необходимости выполнить для процесса некоторое обслуживание.

Содержание раздела