Базовые и расширенные машины

1. Базовые и расширенные машины

2. План занятия:

1.
2.
3.
4.
Понятие базовой машины
Понятие расширенной машины
Режим пользователя
Режим супервизора
2

3. 1. Понятие базовой машины

1. 1. Понятие базовой
машины
Операционная система как расширенная
(виртуальная) машина:
- Использование компьютера на уровне машинного языка
затруднительно (ввод-вывод). Операционная система
ограждает программистов от аппаратуры и занимается
обработкой ввода-вывода, обработкой прерываний,
управлением таймером, управлением оперативной памятью
- С точки зрения пользователя операционная система
выполняет функцию расширенной машины или
виртуальной машины, в которой проще программировать и
легче работать, чем непосредственно с аппаратным
обеспечением, составляющим реальный компьютер.
3

4.

Реальная машина, способная выполнять только
небольшой набор элементарных действий,
определяемых ее системой команд, превращается в
виртуальную машину, выполняющую широкий набор
гораздо более мощных функций.
Виртуальная машина тоже управляется
командами, но это уже команды другого, более
высокого уровня: удалить файл с определенным
именем, запустить на выполнение некоторую
прикладную программу, повысить приоритет задачи,
вывести текст из файла на печать.
4

5.

Операционная система как расширенная (виртуальная) машина
Архитектура (система команд, организация памяти, вводвывод данных и структура шин) большинства компьютеров на
уровне машинного языка примитивна и неудобна для работы
с программами, особенно в процессе ввода-вывода данных.
Рассмотрим пример того, как происходит ввод-вывод
данных с гибкого диска.
1.Организация работы гибкого диска.
Контроллер гибкого диска имеет 16 команд.
Каждая задается передачей от 1 до 9 байт в регистр
устройства.
Команды
·для чтения и записи данных,
·перемещения головки диска и форматирования дорожек,
·для инициализации,
·для распознавания,
·для установки в исходное положение
·для калибровки контроллера и приводов.
5

6.

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.
·сообщают, что делать с меткой адреса данных, которые были
удалены.
Когда выполнение операции завершается, чип контроллера
возвращает упакованные в 7 байт 23 параметра, отражающие
наличие и типы ошибок.
6

7.

2. 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
·изнашивающимися гибкими дисками (с вероятностью
потери данных на них).
7

8.

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 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.
8

9.

Операционная система устраняет:
·необходимость работы непосредственно с дисками и
предоставляет простой, ориентированный на работу с
файлами интерфейс,
·скрывает множество неприятной работы с прерываниями,
счетчиками времени, организацией памяти и другими
элементами низкого уровня.
Абстракция, предлагаемая операционной системой, намного
проще и удобнее в обращении, чем то, что может
предложить нам непосредственно основное оборудование.
С точки зрения пользователя операционная система
выполняет функцию расширенной машины или
виртуальной машины, в которой проще программировать и
легче работать, чем непосредственно с аппаратным
обеспечением, составляющим реальный компьютер
9

10. Режим супервизора

Режим супервизора — привилегированный режим работы
процессора, как правило используемый для выполнения ядра
операционной системы.
В данном режиме работы процессора доступны
привилегированные операции, как то операции ввода-вывода к
периферийным устройствам, изменение параметров защиты
памяти, настроек виртуальной памяти, системных параметров и
прочих параметров конфигурации. Как правило, в режиме
супервизора или вообще не действуют ограничения защиты
памяти или же они могут быть произвольным образом изменены,
поэтому код, работающий в данном режиме, как правило, имеет
полный доступ ко всем системным ресурсам (адресное
пространство, регистры конфигурации процессора и т. п.). Во
многих типах процессоров это наиболее привилегированный
режим из всех доступных режимов
10

11. Режим пользователя.

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.
11

12. Структура операционной системы.

Архитектура операционных систем Windows XP и Windows
Server 2003 является модульной.
Структурно ее можно разделить на две части.
Первая часть работает в режиме ядра( kernel mode) и
называется исполнительной системой Windows (Windows
executive). Компоненты режима ядра обладают
cследующими функциональными возможностями:
1. имеют доступ к оборудованию;
2. имеют прямой доступ ко всем видам памяти
компьютера;
3. не выгружаются на жесткий диск в файл подкачки;
4. имеют более высокий приоритет, нежели процессы
режима пользователя.
12

13.

Вторая часть работает в так называемом режиме
пользователя (user mode) Эту часть составляют защищенные
подсистемы ОС. Особенности процессов пользовательского
режима:
1. не имеют прямого доступа к оборудованию, все запросы на
использование аппаратных ресурсов должны быть разрешены
компонентом режима ядра;
2. ограничены размерами выделенного адресного пространства,
это ограничение устанавливается выделением процессу
фиксированных адресов;
3. могут быть выгружены из физической памяти в виртуальную
на жестком диске;
4. приоритет процессов данного типа ниже приоритета
процессов режима ядра, это предохраняет ОС от снижения
производительности или задержек, происходящих по вине
приложений.
13

14.

Защищенные подсистемы.
Защищенные подсистемы - это серверные процессы пользовательского
режима, создаваемые ОС во время загрузки. После создания они
функционируют постоянно, обрабатывая сообщения от прикладных
процессов и других подсистем.
В Windows два типа защищенных подсистем.
1. Подсистемы среды. Под такими подсистемами понимаются
программы-серверы пользовательского режима, реализующие
программный интерфейс некоторой операционной системы.
Главнейшей подсистемой этого типа является Win32. К ее функциям
относятся:
·предоставление приложениям стандартного программного интерфейса
к функциям ОС;
·реализация графического пользовательского интерфейса;
·управление пользовательским вводом/выводом.
2. Внутренние подсистемы. К этому типу относятся подсистемы,
выполняющие важные функции ОС. Вот основные.
Подсистема безопасности. Осуществляет регистрацию правил контроля
доступа, поддержку базы данных учетных записей пользователей,
прием регистрационной информации и инициализацию процесса
аутентификации пользователя.
14

15.

Служба рабочей станции
Предоставляет приложениям механизм доступа к сетевым
ресурсам, таким как файлы, папки, принтеры и т.д.
Служба сервера
Обслуживает входящие из сети запросы на доступ к ресурсам
компьютера.
15

16. Состав исполнительной системы:

1. Справочный монитор защиты
- Гарантирует выполнение политики защиты на локальном
компьютере.
- Оберегает ресурсы ОС, обеспечивая защиту объектов и
аудит доступа к ним.
16

17.

2. Диспетчер процессов
- Создает и завершает процессы и потоки, а так же,
приостанавливает и возобновляет исполнение
потоков, хранит и выдает информацию о них.
3. Диспетчер межпроцессорного взаимодействия
- Обеспечивает взаимодействие между подсистемами
режима пользователя и исполнительной
подсистемой.
4. Диспетчер виртуальной памяти
- Реализует виртуальную память, т.е. схему управления
памятью, которая предоставляет каждому процессу
большое собственное адресное пространство и
защищает это пространство от других процессов.
17

18.

5. Ядро
- реагирует на прерывания и исключения, выполняет
межпроцессорную синхронизацию и предоставляет набор
элементарных объектов и интерфейсов, используемый
остальными частями исполнительной системы для
реализации объектов более высокого уровня.
6. Подсистема ввода/вывода
- состоит из группы компонентов, отвечающих за
выполнение ввода/вывода на разнообразные устройства.
7. Диспетчер объектов
- создает, поддерживает и уничтожает объекты
исполнительной системы Windows
18

19.

8. Диспетчер электропитания
- Управляет электропитанием устройств, координирует
запросы устройств, связанные с изменением режима
электропитания
9. Диспетчер Plug and Play
- обеспечивает распознавание PnP устройств после
процесса загрузки ОС, управляет их драйверами,
предоставляет интерфейс средствам пользовательского
режима для поиска устройств, их установки и удаления, а
так же остановки и возобновления их работы.
10. Диспетчер окон и интерфейс графических устройств
- Управляет отображением окон, обеспечивает прием ввода
от клавиатуры и мыши, распределяя информацию
приложениям.
19

20. Домашнее задание

1. Конспект лекций
2. Реферат на тему: «Понятие базовой и расширенной
машины»
3. Составить тестирование по теме: «Расширенные
машины», состоящий из 20 вопросов и 3-х вариантов
ответов.
20