Однопрограммный и многопрограммный режимы работы ЭВМ. Виртуальная память

Операционные системы предоставляют пользователям достаточно ши­рокий спектр вычислительных услуг, упрощая процесс использования ЭВМ. Прежде всего это касается разнообразия режимов работы машин, обеспечи­ваемых ОС. Под режимом работы понимают принципы структурной и функциональной организации аппаратных и программных средств. В общем случаережимы использования ЭВМ подразделяют на однопрограммные и многопрограммные.

Исторически однопрограммные режимы появились первыми. При их реализации все основные ресурсы ЭВМ (время работы процессора, опера­тивная память и др.) полностью отдаются в монопольное владение пользова­теля. Однопрограммный режим может иметь модификации: однопрограммный режим непосредственного доступа и однопрограммный режим косвен­ного доступа.

Многопрограммный режим работы ЭВМ позволяет одновременно об­служивать несколько программ пользователей. Реализация режима требует соблюдения следующих непременных условий:

• независимости подготовки заданий пользователями;

• разделения ресурсов ЭВМ в пространстве и времени;

• автоматического управления вычислениями.

Независимость подготовки заданий пользователями обеспечивается раз­витыми средствами САП. Используя имеющиеся языки программирования, пользователи не должны учитывать ситуации, в которых может произойти одновременное их обращение к одним и тем же ресурсам ЭВМ. Они могут использовать даже одинаковые идентификаторы, обращаться к одним и тем же библиотекам программ и массивам данных, задействовать одни и те же устройства и т.д. Очереди к общим ресурсам должны обслуживаться сред­ствами ОС, не создавая взаимных помех пользователям.

Разделение ресурсов ЭВМ между программами пользователей обеспечи­вается аппаратно-программными средствами системы. Программы управле­ния заданиями ОС определяют виды требуемых ресурсов в заданиях пользо­вателей и регламентируют их использование. Перспективное планирование при этом отсутствует, так как заранее определить динамику последующих вычислений практически невозможно. Отдельные виды ресурсов, например области оперативной и внешней памяти, допускают одновременное их ис­пользование программами пользователей. В этом случае пространство адре­сов памяти разбивается на непересекающиеся зоны или разделы. "Охрану границ" этих зон обеспечивают схемы защиты памяти - аппаратурные и про­граммные средства ЭВМ.

Некоторые виды ресурсов допускают только последовательное их исполь­зование программами пользователей, например, в однопроцессорной ЭВМ время работы единственного процессора является неразделяемым ресурсом. Его использование предполагает упорядочение потока заявок и поочередное его использование программами. В современных ЭВМ упорядочение потока заявок обеспечивается на основе их приоритетов, где приоритет - некоторая априорная характеристика заявки, определяющая ее место в очереди на об­служивание. Формирование очередей обеспечивают программные компоненты ОС. Обслуживание очередей заявок выполняется с использованием системы прерываний и приоритетов. Последняя выделяет из группы одновременно поступающих заявок одну, наиболее приоритетную.

Автоматическое управление вычислительным процессом в многопрог­раммном режиме выполняется центральной программой управления задача­ми. Сущность управления сводится к управлению ресурсами. При этом ОС составляет таблицы управления, выделяет ресурсы, запускает их в работу и корректирует таблицы.

Виртуа́льная па́мять (англ. Virtual memory) — технология управления памятью ЭВМ, разработанная для многозадачных операционных систем. При использовании данной технологии для каждой программы используются независимые схемы адресации памяти, отображающиеся тем или иным способом на физические адреса в памяти ЭВМ. Позволяет увеличить эффективность использования памяти несколькими одновременно работающими программами, организовав множество независимых адресных пространств (англ.), и обеспечить защиту памяти между различными приложениями. Также позволяет программисту использовать больше памяти, чем установлено в компьютере, за счет откачки неиспользуемых страниц на вторичное хранилище (см. Подкачка страниц).

При использовании виртуальной памяти упрощается программирование, так как программисту больше не нужно учитывать ограниченность памяти, или согласовывать использование памяти с другими приложениями. Для программы выглядит доступным и непрерывным все допустимое адресное пространство, вне зависимости от наличия в ЭВМ соответствующего объема ОЗУ.

Применение механизма виртуальной памяти позволяет:

• упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением;
• рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);
• изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).

В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных бытовых процессорах. В то же время во встраиваемых системах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени) виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложные иерархии памяти.

Система прерываний.

Прерывание - приостановление работы одной программы и передача управления другой при возникновении некоторого независящего от них события. При этом сохраняется возможность возврата управления прерванной программе, без потери ею работоспосодности.

Адреса подпрограмм обслуживания прерываний находятся в специальной таблице и называются векторами прерывания. В реальном режиме таблица вектров распологается в начале физической памяти; вектор имеет длину четыре байта и храниться в форме CS:IP. В защищенном режиме таблица векторов может быть расположена в любом месте и содержит более сложные дескрипторы (в режиме V86 имеется подобие таблицы реального режима).

Работа с системой прерываний может рассматриваться с двух точек зрения:

1. Работа с векторами прерываний;
2. Работа с микросхемами контроллеров прерываний (современные рашины могут не иметь отдельной микросхемы контроллера прерываний, но их регистры сохранены в адресном пространстве).

ПРИМЕЧАНИЕ: Еще раз подчеркивается, что речь идет прежде всего о реальном режиме. Попытка "попробовать" в любом другом может иметь непредсказуемые последствия.

Таблица дескрипторов прерываний защищенного режима доступна только из нулевого кольца защиты, вы можете создать или изменить ее если выполните переключение в защищенные режим самостоятельно!

При работе в режиме V86 возможно изменение образа таблицы прерываний, но последствия определяются возможностями виртуального монитора!

Таблица аппаратных прерываний:

Поиск по сайту: