В начало

Поддержка многозадачности (Лекция)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Многозадачность – определение, история развития

2. Режимы многозадачности

3. Невытесняющая многозадачность

4. Многозадачность в защищенном режиме

 

1. Многозадачность – определение, история развития

Многозадачность (multitasking) - это способность операционной системы выполнять несколько программ одновременно. В основе этого принципа лежит использование операционной системой аппаратного таймера для выделения отрезков времени (time slices) для каждого из одновременно выполняемых процессов. Если эти отрезки времени достаточно малы, и машина не перегружена слишком большим числом программ, то пользователю кажется, что все эти программы выполняются параллельно.

В обязанности процессора входит обеспечение одновременного выполнения нескольких задач. Для реализации многозадачности применяются системные регистры процессора.

   Для каждой из задач процессор выделяет очень короткий промежуток (квант) времени. Процессор переключается с выполнения одной задачи на другую, это происходит настолько быстро, что создается иллюзия одновременности выполняемых операций.

   Для того чтобы программы MS DOS могли работать внутри защищенной многозадачной среды, используется режим работы процессора виртуальной адресации i86 РМ 86 (Protected Mode 86). В результате включения механизма РМ 86 реализуется не четырех-, а менее эффективная двухуровневая система защиты. Память разбивается на страницы. В каждой странице формируются окна емкостью 1 Мбайт. В подобном окне может храниться отдельная программа DOS или другой операционной системы. Совокупность хранимых подобным образом программ называется виртуальными машинами, которые работают в многозадачном режиме.

Идея многозадачности не нова. Многозадачность реализуется на больших компьютерах типа мэйнфрэйм (mainframe), к которым подключены десятки, а иногда и сотни, терминалов. У каждого пользователя, сидящего за экраном такого терминала, создается впечатление, что он имеет эксклюзивный доступ ко всей машине. Кроме того, операционные системы мэйнфрэймов часто дают возможность пользователям перевести задачу в фоновый режим, где они выполняются в то время, как пользователь может работать с другой программой.

Для того, чтобы многозадачность стала реальностью на персональных компьютерах, потребовалось достаточно много времени. Но, кажется, сейчас мы приближаемся к эпохе использования многозадачности на ПК (PC). Как мы увидим вскоре, некоторые расширенные 16-разрядные версии Windows поддерживают многозадачность, а имеющиеся теперь в нашем распоряжении Windows NT и Windows 95 - 32-разрядные версии Windows, поддерживают кроме многозадачности еще и многопоточность (multithreading).
Многопоточность - это возможность программы самой быть многозадачной. Программа может быть разделена на отдельные потоки выполнения (threads), которые, как кажется, выполняются параллельно. На первый взгляд эта концепция может показаться едва ли полезной, но оказывается, что программы могут использовать многопоточность для выполнения протяженных во времени операций в фоновом режиме, не вынуждая пользователя надолго отрываться от машины.

 

2. Режимы многозадачности

На заре использования персональных компьютеров некоторые отстаивали идею многозадачности для будущего, но многие ломали головы над вопросом: какая польза от многозадачности на однопользовательской машине? В действительности оказалось, что многозадачность - это именно то, что необходимо пользователям, даже не подозревавшим об этом.

Многозадачность в DOS

Микропроцессор Intel 8088, использовавшийся в первых ПК, не был специально разработан для реализации многозадачности. Частично проблема (как было показано в предыдущей главе) заключалась в недостатках управления памятью. В то время, как множество программ начинает и заканчивает свое выполнение, многозадачная операционная система должна осуществлять перемещение блоков памяти для объединения свободного пространства. На процессоре 8088 это было невозможно реализовать в стиле, прозрачном для приложений.

Сама DOS не могла здесь чем-либо существенно помочь. Будучи разработанной таким образом, чтобы быть маленькой и не мешать приложениям, DOS поддерживала, кроме загрузки программ и обеспечения им доступа к файловой системе, еще не так много средств.
Тем не менее, творческие программисты, работавшие с DOS на заре ее появления, нашли путь преодоления этих препятствий, преимущественно при использовании резидентных (terminate-and-stay-resident, TSR) программ. Некоторые TSR-программы, такие как спулер печати, использовали прерывание аппаратного таймера для выполнения процесса в фоновом режиме. Другие, подобно всплывающим (popup) утилитам, таким как SideKick, могли выполнять одну из задач переключения - приостановку выполнения приложения на время работы утилиты. DOS также была усовершенствована для обеспечения поддержки резидентных программ.
Некоторые производители программного обеспечения пытались создать многозадачные оболочки или оболочки, использующие переключение между задачами, как надстройки над DOS (например, Quarterdeck's DeskView), но только одна из этих оболочек получила широкое распространение на рынке. Это, конечно, Windows.

3. Невытесняющая многозадачность

Когда Microsoft выпустила на рынок Windows 1.0 в 1985 году, это было еще в большой степени искусственным решением, придуманным для преодоления ограничений MS DOS. В то время Windows работала в реальном режиме (real mode), но даже тогда она была способна перемещать блоки физической памяти (одно из необходимых условий многозадачности) и делала это, хотя и не очень прозрачно для приложений, но все-таки вполне удовлетворительно.

В графической оконной среде многозадачность приобретает гораздо больший смысл, чем в однопользовательской операционной системе, использующей командную строку. Например, в классической операционной системе UNIX, работающей с командной строкой, существует возможность запускать программы из командной строки так, чтобы они выполнялись в фоновом режиме. Однако, любой вывод на экран из программы должен быть переадресован в файл, иначе этот вывод смешается с текущим содержимым экрана.

Оконная оболочка позволяет нескольким программам выполняться совместно, разделяя один экран. Переключение вперед и назад становится тривиальным, существует возможность быстро передавать данные из одной программы в другую, например, разместить картинку, созданную в программе рисования, в текстовом файле, образованном с помощью текстового процессора. Передача данных поддерживалась в различных версиях Windows: сначала с использованием папки обмена (clipboard), позднее - посредством механизма динамического обмена данными (Dynamic Data Exchange, DDE), сейчас - через внедрение и связывание объектов (Object Linking and Embedding, OLE).

И все же, реализованная в ранних версиях Windows многозадачность не была традиционной вытесняющей, основанной на выделении отрезков времени, как в многопользовательских операционных системах. Такие операционные системы используют системный таймер для периодического прерывания выполнения одной задачи и запуска другой. 16-разрядные версии Windows поддерживали так называемую невытесняющую многозадачность (non-preemptive multitasking). Такой тип многозадачности был возможен благодаря основанной на сообщениях архитектуре Windows. В общем случае, Windows-программа находилась в памяти и не выполнялась до тех пор, пока не получала сообщение. Эти сообщения часто являлись прямым или косвенным результатом ввода информации пользователем с клавиатуры или мыши. После обработки сообщения программа возвращала управление обратно Windows.

16-разрядные версии Windows не имели возможности произвольно переключать управление с одной Windows-программы на другую, основываясь на квантах времени таймера. Переключение между задачами происходило в момент, когда программа завершала обработку сообщения и возвращала управление Windows. Такую невытесняющую многозадачность называют также кооперативной многозадачностью (cooperative multitasking) потому, что она требует некоторого согласования между приложениями. Одна Windows-программа могла парализовать работу всей системы, если ей требовалось много времени для обработки сообщения.

Хотя невытесняющая многозадачность была основным типом многозадачности в 16-разрядных версиях Windows, некоторые элементы вытесняющей (примитивной, preemptive) многозадачности в них тоже присутствовали.

Windows использовала вытесняющую многозадачность для выполнения DOS-программ, а также позволяла библиотекам динамической компоновки (DLL) получать прерывания аппаратного таймера для задач мультимедиа.

16-разрядные версии Windows имели некоторые особенности, которые помогали программистам если не разрешить, то, по крайней мере, справиться с ограничениями, связанными с невытесняющей многозадачностью. Наиболее известной является отображение курсора мыши в виде песочных часов. Конечно, это не решение проблемы, а только лишь возможность дать знать пользователю, что программа занята выполнением протяженной во времени работы, и что система какое-то время будет недоступна. Другим частичным решением является использование системного таймера Windows, что позволяет выполнять какие-либо действия периодически. Таймер часто используется в приложениях типа часов и приложениях, работающих с анимацией.

Многозадачная ОС должна обеспечивать управление работой вычислительной системой в тех случаях, когда эта работа состоит из нескольких, одновременно идущих видов деятельности.

В многозадачной системе каждый вид деятельности, который может осуществляться одновременно с другими, называется процессом или задачей. Каждый процесс выполняет программу, состоящую из команд и исходных данных. Одна и та же программа может выполняться несколькими процессами. Процесс - это совокупность инструкций, выполняемых процессором, данных и информации о выполняемой задаче, такой как размещенная память, открытые файлы и статус процесса.

 

4. Многозадачность в защищенном режиме

Полностью механизмы поддержки многозадачности процессор реализует в специальном режиме работы, называемом защищенным, так как именно в этом режиме возможно выполнение нескольких процессов с полной изоляцией их друг от друга. Каждый из них будет "считать", что выполняется только он один и все ресурсы процессора принадлежат ему; он не нарушит работу ОС и других параллельно выполняемых программ.

В отличие от реального режима, в защищенном режиме микропроцессор предоставляет аппаратную поддержку многозадачности. Эта поддержка включает в себя возможность сохранения задачи и передачи управления другой задаче

Каждая задача описывается селектором дескриптора сегмента TSS - Task State Segment или сегмент состояния задачи. Сегмент TSS для каждой задачи должен быть описан в таблице GDT (загрузка дескриптора из LDT вызывает ошибку). Сегмент состояния задачи представляет собой 0x67 байт данных, в которых сохраняется состояние задачи (т.е. - содержание регистров процессора и некоторые другие данные) при прекращении ее выполнения.

Пример дескриптора сегмента TSS в таблице GDT:
67 00 00 00 00 89 40 00

Первые 0x67 байт линейного адресного пространства будут использованы для хранения состояния задачи, селектор которой указывает на этот дескриптор Бит 4 пятого байта дескриптора определяет дескриптор как системный. В этом случае биты 0-3 определяют тип дескриптора. Для TSS это:

 

0001 - свободный 16 битный сегмент состояния задачи
0011 - занятый 16 битный TSS
1001 - свободный 32 битный TSS
1011 - занятый 32 битный TSS

А
также:
0101 - шлюз задачи

Селектор выполняющейся в текущий момент времени задачи содержится в регистре TR. В ОС обычно этот регистр загружается командой LTR при запуске первой задачи, выполняющейся в многозадачном режиме

Переключение задач производится с помощью дальнего JMP или CALL, если селектор указывает на TSS или шлюз задачи (а также при прерывании, если сегмент обработчика - TSS). При переключении на задачу, ее тип в дескрипторе изменяется на занятый, т.е. задачи не обладают повторной входимостью. Попытка переключения на занятую задачу вызывает ошибку защиты.

 

 

Sniper Elite-3
Sniper Elite-3


Quake-4
Quake-4


LEGO Harry Potter: Years 5-7
LEGO Harry Potter: Years 5-7