Микроархитектура, микропрограмма. Ядро. Ерекшеліктер және үзулер

 

Архитектура - логикалық және физикалық ұйымдардың жиынтығы, басқару процедурасы, осындай құралдарды құру және тағайындау. Осындай екі немесе бірнеше құралдарды алмасу немесе интерфейс.

Макроархитектура – ол әмірлер жүйесі, өңделетін мәліметтердің түрлері,микропроцессордың адресациялау режимі мен жұмыс істеу тәсілі. Микропроцессордың негізгі сипаттамалары.

1) тактілік жиілікпен, ол ЭЕМ-дағы элементтердің қосылуының максимал орындалу уақытын анықтайды;

2) разрядтілікпен, яғни бір уақытта өңделінетін екілік разрядтардың максимал санымен.

МП-дың разрядтілігінің белгіленуі: m/n/k/, мұндағы

m - ішкі регистрлердің разрядтілігі, процессорлардың қай класқа жататынын анықтайды;

n - мәліметтер шинасының разрядтілігі, ақпараттың берілу жылдамдығын анықтайды;

k - адрес шинасының разрядтілігі, адрестік кеңістіктің өлшемін анықтайды. Мысалы, i8088 МП-ры мына мәндермен сипатталады m/n/k=16/8/20;

3) архитектурамен.

Микропроцессордың архитектура түсінігіне кіретіндері: әмірлер жиыны мен адресациялау әдістері, әмірлердің уақыт бойынша орындалуын сәйкестендіру мүмкіндігі, микропроцессор құрамында қосымша қодырғылардың бар болуы, оның жұмыс тәсілі мен режимі.

Микропроцессордың микроархитектурасы – ол микропроцессордың аппараттық ұйымы және логикалық құрылымы, регистрлер, басқарушы сызбалар, арифметика-логикалық қондырғылар, еске сақтау қондырғылары мен оларды байланыстыратын ақпараттық магистральдар.

Микропрограмма (microprogram) — арнаулы жадта алдын ала жазылып қойылатын программа немесе логикалық схемалар тізбегі. Ол есептеу жүйесінің аппараттық құралдарында (мысалы шиналарда, регистрлерде, қосындылауыштарда және т.б.) Сигналдар мен мәліметтер жеткізуді басқаруды жасақтайды; машиналық команданы командалар регистріне орналастырғаннан кейін іске қосылатын машиналық операцияга сәйкес орындалатын элементарлық командалардың тізбегі; микрокомандалар тізбегі.

Қазіргі уақытта әртүрлі компьютерлік жүйелердің архитектурасы болады. Бірақ олардың бәрінің де өз құрылымында қарастырылған элементтер болу керек және олар міндетті түрде компьютерлік жүйелердің функцияларының негізгі қағидаларын қолданады. Ол қағидаларға келесілерді жатқызуға болады: модульдік принципі, магистралдік, микропрограммалық.

Модульдік - модульдер негізінде компьютерлерді құрастыру әдісі. Модуль дегеніміз стандартты түрде жасалған конструктивті және функционалды түрде аяқталған электронды блок.

Магистральдік дегеніміз – бұл әр түрлі компьютерлік модульдердің біріктірілуі. Бұл жерде кіріс және шығыс модуль құрылғылары бір сыммен қосылады, осылардың жиынтығы шина деп аталады. Компьютерлер магистралі бірнеше шина топтарынан құралады және олар функционалдық белгі бойынша ажыратылады – шина адресі, мәліметтер шинасы, басқару шинасы.

Микропрограммалау дегеніміз – жүйені программалық басқару принципін жүзеге асыру тәсілі. Осы қарастырылған қағидалар мен электрондық технология жетістіктері төменгі суретте көрсетілген жүйе құрылымына алып келеді.

Процессор модульдері

Жад модульдері

Бақылаушы модульдері

магистраль

Сурет 1. Компьютерлік жүйелердің архитектурасы

 

ОЖ қосымша модуьдері және Ядро. ОЖ структуризациясы оның барлық модуьдерінің екі топқа бөлінуіне ортақ болып келеді:

1. Ядро –ОЖ басты функцияларын шешуші модульдері.

2. ОЖ көмекші функцияларын шешуші модульдері.

Ядролық модульдер ОЖ мынадай базалық функцияларын орындайды: процесстерді басқару, жадыға сақтау, шығыс-кіріс құрылғыларын басқару және т.с.с. Ядро ОЖ жүрегінен тұрады онсыз ОЖ толығымен жұмыс істеу қабілетінен айырылады және де бірде бір өзінің функцияларын орындай алмайды.

Ядроның құрамына кіретін функциялар, ішкі-жүелік есептердің шешуші құрамды процестері, мынадай:

1. контекстерді ауыстыру.

2. беттердің жүктеу/выгрузка

3. үзілулерді өңдеу

Бұл функциялар қосымшаларға қол жетімді емес. Ядро функциясының басқа классы қосымшаға қолдау қызметін атқарады, және оларға атаулы қолданбалы программалық орта жасайды. Қосымшалар ядроға сұраныс жасай алады –жүйелік шақырулар –сол немесе басқа әрекеттердің орындалуы, мысалы бір файылдың оқылуы және ашылуы графикалық мәліметтерді дисплейға шығару, жүйелік уақытты алу т.б. қосымшамен шақырылатын функцияның ядросы, қолданбалы программалық интерфейстерді құрайды – АРІ (Application Programming Interfase) –әдістерді таңдау функциясы программисттің функционалды программалық компанентті қолдануға арналған жолы (программалар, модульдер, кітапханалар). АРІ маңызды абстракция болып келеді, функционалдықты «таза түрде» жазушы.

Windows – Win32 API арналған қолданбалы программалаудың интерфейсын қарастырамыз. Win32 API жүйелік шақырулардан бөлектетілген. Бұл әр түрлі нұсқаларда программаларды көшірмей-ақ жүйелік шақыруларды өзгертуге мүмкіндік береді. Сондықтан шақыру жүйелік болама түсініксіз (ядромен орындалады), әлде ол пайдаланушының кеңістігінде өңделеді. Win32 API-да 1000 аса шақырулар болады. Мұндай көлем UNIX пайдаланушының графикалық интерфейстері пайдаланушы режимінде қосылуымен байланысты, ал Windows ядроға орнатылған. Сондықтан Win32 API арналған басқару терезелері, тақырыптар, шрифттер т.б., көп шақырулар бар.

Win32 API шақырулары, стандартты POSIX шақыруларына ұқсауын қарастырамыз.

-CreatProcess (fork) –жаңа процесс құру.

-ExitProcess(exit) –процессті аяқтау.

-CreatFile(open) –файлды ашу.

-CloseHandle(close) –файлды жабу.

-ReadFile(read) –файлдағы мәліметтерді буферға оқиды.

-WritFile(write) –буфердағы мәліметтерді файлға жазады.

-CreatDirectory(mkdir) –жаңа каталог құрады.

-RemoveDirectory(rmdir) –каталогты жояды.

-SetCurrentDirectory(chdir) –жұмыс істейтін каталогты өзгертеді.

Win 32 Қолданбалы программа

Win32 API Қолданбалы программаның интерфейсі

Windows 3.x

Windows 95/98/Me

Windows NT4.0

Windows NT5.0

Win32s

 

 

Сурет.2.1. Win32 API Windows интерфейсі

 

Функциялар, ядро модульдерімен орындалатын ОЖ функциясы болып келеді, сондықтан олардың орындалу жылдамдығы жүйенің толығымен бар қабілетін анықтайды. Барлық ОЖ жұмыс істеу жылдамдығымен қамтамасыз ету үшін ядро модульдері және де олардың үлкен бөліктері әрқашан жедел есте сақтау жадысында болады, демек резидентті болады.

Ядро компютерлік жүйедегі барлық есептеуіш процестерді қозғаушы күші болып келеді, және ядроның құлауы барлық жүйенің құлауымен тең. Сондықтан ОЖ құрастырушылар ядро кодтарының қауіпсіздігіне ерекше көңіл бөледі, нәтижесінде процесс пен олардың отладка көп айларға созылуы мүмкін.

Кейде ядро арнайы форматтың кей программалық модульдері ретінде рәсімделеді, пайдаланушылық қосымша форматтардан ерекшеленеді.

Қалған ОЖ модульдері аса қажетті бірақ аз міндетті функцияларды орындайды. Мысалы, мұндай көмекші модульдерге мыналар кіреді:

1. Мәліметтерді архивтеу программасы.

2. Дискті дифрагменттеу.

3. Тексттік редакторды.

ОЖ көмекші модульдері кейде қосымша түрінде, кейде процедуралар кітапханасы түрінде рәсімделеді.

Сол себепті ОЖ кейбір компаненттері қарапайым қосымша ретінде рәсімделген, демек стандартты модульдердің берілген ОЖ форматында орындалу ретінде берілгендіктен, ОЖ мен қосымшалар арасына нақты шектеу қою өте күрделі де жиі болады.

Қандайда бір программа ОЖ бөлігі болама жоқпа екендігін, ОЖ қабілеттілігі шешім қабілдайды. Көп факторлардың ішінде осы шешімге әсер ете алатын, берілген ОЖ потенциялдық қолданушылардың программаға сұранысы көлемді болуы маңызды болып келеді. Кейбір программа берілген уақытта пайдаланушылық қосымша ретінде бола алады, ал содан кейін ОЖ бөлігі болады және керісінше болады. Осыған мысал ретінде Microsoft компаниясының Web-браузер пограммасының өзгеру статусы келеді, әлгі жеке қосымша ретінде бастапқыда Windows NT 4.0 және Windows 95/98 ОЖ бөлігі болды, ал бүгінгі күні сот шешімінде бұл браузер қайта тұрақты қосымшаға айналуына үлкен мүмкіндік бар.

ОЖ ядросы

 

–ОЖ қосалқы модулі

–Қолданушы қосалқыс

 

Сурет 2.2. Қосалқы және ОЖ арасындағы айқындық

 

Ерекше артықшылығы бар режимдегі ядро. Қосымшалардың орындалу жүрісін қауіпсіз басқаруда ОЖ қосымшаға деген ерекше артықшылықтары болуы қажет. Ендеше оның дұрыс жұмыс істемейтін қосымшасы ОЖ жұмысына кедергі болуы мүмкін, мысалы, оның кодтар бөлігін, ОЖ құрастырушылардыңбар жіберген күштері бос әурешілік болып қалады егер олардың шешімдерінің орындалуы қосымша молдульді жүйеден қорғамайды, қандай элегантты және эфектті шешімдер болмасын. Компьютер ресурстарының мультипрограммалық режимінде қосымшамен араларындағы дауда арбитрдың ролін ойнау үшін ОЖ ерекше қасиеттері болуы керек. Еш бір қосымша ОЖ бұйрығынсыз қосымша есте сақтау құралын алу мүмкіндігі жоқ, және процессорда ОЖ –де берілген уақытынан артық ұстауға, сыртқы құралдармен қатар атқаруға рұқсат жоқ.

Арнайы аппараттық құралдардың көмегінсіз ОЖ ерекше артықшылықты қолдаумен қамтамасыз ету мүмкін емес. Компьютердің аппаратурасы аз дегенде екі режимді ұстауы қажет:

1. Қолданушы режимі (user mode)

2. Ядро режимі деп аталатын ерекше артықшылығы бар режим (remel mode), әлде супервизор (supervisor mode).

ОЖ кейбір бөліктері ерекше артықшылығы бар режимде, ал қосымша –қолданушы режимінде жұмыс атқарады деп мойындалады.

Ядро операциялық жүйенің барлық негізгі жүиелерін орындағандықтан, көбінесе ол артықшылық режимінде жұмыс істейтін операциялық жүйенің бөлігі болып саналады.

Кейде артықшылық режиміндегі жұмыс «ядро» түсінігінің негізгі анықтамасы болып саналады.

 

ОЖ утилиталары Жүйе орындайтын прог Қолднушы қосалқысы

 

 

 

Қолданушы режим

ОЖ ядросы

Артықшылық режимі

 

 

2.3-2.4 сурет.Артықщылық режиміндегі ядро мен жүйенің ОЖ-сі

 

Процессордың міндеттерін ауыстырумен, Енгізу-Шығару құралдарын басқарумен механизмдерді реттеу және жадты қорғау рұқсатымен байланысты, тұтынушы режиміндегі кейбір критикалық командалардың орындалуына тиым салынатындықтан, қосымша бағыныңқы жағдайға қойылады. Нұсқаулықтардың орындалуына тек белгілі жағдайларда ғана тиым салынса, тұтынушы режимінде ондай нұсқаулықтардың орындалуына сөзсіз тиым салынады (ондай нүсқауларға артықтандырылған режимдегі өту нұсқауы жатады). Мысалы; барлық қосымшалармен операциялық жүйеде жалпы деректерді сақтайтын, бірақ арнайы қосымшалар үшін монополиялық иелікте бөлінген кейінгі портқа рұқсат ететін қатқыл дискінің бақылаушысына рүқсат кезінде Енгізу-Шығару нұсқаулары қосымшаларға тиым салуы мүмкін.

Операциялық жүйенің артықшылықтары жадқа рұқсат етілгенде ұқсас түрде қамтамассыз етіледі. Мысалы; егер нұсқаулық операциялық жүйеде берілген қосымшасына жіберілген жадтың аумағында болса, онда қосымшаларға жадқа ену үшін нұсқаулықтар орындалуына рұқсат етіледі. Ал, операциялық жүйе және басқа қосымшаларда орын алатын жадтың аумағында болмайтын жағдайда тиым салынады. Жадқа енуге нұсқаулықтармен жадты қорғау конфигурациялық механизмдер нұсқаулары тек артықшылық режимінде ғана орындалуға рұқсат етілгендіктен, операциялық жүйенің толық бақылауы жүзеге асады. Мысалы; (Мэйнфреймах ІВМ-де жадты қорғау кілттерінің өзгеруі немесе Рentium процессорында жад дескрипторларының кестесіндегі сілтемелерінің өзгеруі).

 

Жадты қорғау механизмі операциялық жүйе мен тек қосымшалардан өз жадтарының аумақтарын қорғауға ғана емес, сондай-ақ операциялық жүйемен белгіленген қандай да бір қосымшалардың жад аумақтарын басқа қосымшалардан қорғайды. Әр қосымша өз кеңістігінде жұмыс істейді. Бұл қасиеті жадтың өз аумағында жұмыс істейтін қате қосымшаларды таратпауға мүмкіндік береді. Сондықтан да оның қателері басқа қосымшалармен операциялық жүйеге әсер етеді.

 

Аппаратты жүзеге асыратын артықшылық деңгейінің мөлшерімен операциялық жүйені қолдайтын артықшылық деңгейінің мөлшері арасында байланыс жоқ. 4 деңгейлі базада Intel компаниясы процессорлармен қамтамассыз ететін 0S/2 операциялық жүйесі 3 деңгейлі артықшылық жүйені жасауда, ал Windows NT, UNIX және кейбір операциялық жүйе 2 деңгейлі жүйемен шектелуде. Бір жағынан егер аппарат 2 деңгейлі артықшылықты қолданса, операциялық жүйе осының негізінде программалық әдіспен дамыған қорғау жүйесін жасай алады. Мысалы; бұл жүйе иерархияны тудырушы артықшылықтардың бірнеше деңгейін қолдай алады. Бірнеше артықшылықтардың болуы операциялық жүйе модульдерінің арасында да толық егжей - тегжейлі реттеуді рұқсат етеді. Ішкі операциялық жүйе артықтандырылған және аз артықтандырылған бөліктердің пайда болуы операциялық жүйенің бағдарламалық кодттарының ішкі қателіктерінің беріктілігін көтеруге әкеледі. Себебі мұндай қателіктер тек модульдер ішінде белгіленген арнайы деңгейлі артықшылықпен таралады. Артықтандырылған модульдер бөлігі аз артықтандырылған модульдер деректеріне енуге және олардың орындалуын басқаруға рұқсат алатын деференциялық артықшылықтардың ортасындағы күрделі қолданбалы кешендер құруға мүмкіндік береді.

Процессор артықшылығының 2 режимі негізінде операциялық жүйе ресурстарды жекелей қорғайтын күрделі жүйе құра алады. Оған мысал ретінде файлдар мен каталогтардың әдеттегі қорғау жүйесі бола алады. Бұндай жүйе кез-келген тұтынушыға, әрі файлдармен каталогтарға рұқсат қоюға белгілі құқықтар бере алады.

Ядроның артықтандырылған режимге ауысуын қамтамассыз ететін операциялық жүйенің нақтылығы кейбір жүйелік шақыртулардың орындалуының бәсеңделуі арқасында жоғарлайды. Артықтандырылған жүйенің шақыртуы процессордың тұтынушы режимінен артықшылықтар режиміне ауысуына бастайды, ал қосымшаға қайтарылғанда - артықшылық режимінен тұтынушы режиміне ауысады. Процессорлардың барлық түрлерінде қосымша екі мәртелі тоқтатуда ауыстырылатындықтан, ауысымсыз режимі процедурасын шақыртуға қарағанда процедуралық ауысым режиміне көшу баяу жүзеге асады. Артықтандырылған ядромен тұтынушы режиміндегі қосымшаларға негізделген операциялық жүйе архитектурасы классикалық болады. Оны көптеген атақты операциялық жүйе оның ішінде - UNIX, VАХ VМS, ІВМ OS/390, OS/2 сияқты сан алуан нұсқаулары және арнайы модификациялармен - Windows NТ жүйелері бар.

Оқиғаларда соналардың өңдеушілері шегінеді мынаның сәулет классикалық түрінің, түйін жұмысын және қосымшаларды ұйымдастыра бірде және том ғой тәртіпте. Дәл осылай, түйін жұмысына арналған қалай белгілі мамандандырылған операциялық жүйе Novell компания NetWare 86| Pentium Intel х процессорларының пұрсатты тәртібін қолданады, дәл осылай және өз ерекше қосымшалардың - толтыра арту модульдерінің жұмысына арналған. Дәл осылай қалай тәртіптердің ауыстырып қосулары жоқ, бірақ мыналар жанында жад сенімді аппараттық қорғанышы жоқ болады, модульдермен орын иеленгеннің соналардың, дөрекі жұмыс істеуші қосымшадан, NetWare өңдеушілері өз операциялық жүйе сенімділік сондай потенциалды төмендеуіне кетті, шек қойылған терім сондықтан әрбір қосымша мүқият жөндеулері шоттың артынан сәулетшілік жетіспеушілік оны мынау мамандандырылған қосымшаларды компенсациялауға рұқсат етеді.

 

Қолданушы режимі

Артықшылық режимі

NetWare ядросы

 

 

NLM

 

 

2.5-шi сурет. Басқару жүйесiнiң ықшамдалған архитектурасы NetWare

Бiр тәртiпте жұмыстың ерекше құқықты режимін қолдамайтын процессорлар үшiн тiптi жасалған басқару жүйелерi ядро және қосымша арқылы жұмыс iстейдi. Мұндай түрдiң өте әйгiлi процессоры Intel 8088/86 болып табылды, IBM компанияснының дербес компьюлерге негiзі жараған процессоры.Бұл компьютерлерге арналып жасалған Microsoft компаниясымен игерiлген MS-DOS операциялық жүйесі, msdos.sys және io.sysтiң жүйелiк шақыруларға command.comның командалық интерпретаторы, жүйелiк утилиталар және қосымшаларға айналған (модулдердың ядро атауын пайдаланылып, ол олар негiзi бойынша болып табылғандығымен) жүйенiң ядро құрастырылған екi модулдерінен тұрды. MS-DOS архитектурасы ОЖ-нің 2.1-шi сурет келтiрiлген архитектурасына сәйкес келедi. Дөрекi жазылған қосымшалар кейде жоғарыд айтылған MS-DOS-тың негiзгi модулдерін әбден қирата алды, бiрақ (дербес компьютер, MSXтың сондайы, СР/М үшiн ерте басқару жүйелерiнiң көп ұқсас түрлері) MS-DOS-тың қолдану облысы және ОЖ-нің биiк сенiмдiлiкке қойылатын талаптарының көрсетпедi.

Жұмыстың (80286-дан бастай) Intel мүмкiндiгiнiң процессорларының ерекше құқықты режимiндегi болжамдардың кенжелеулерiнде пайда болуына MS-DOS-тың өңдеуішi болмады. Бұл ОЖ-лер 8086/88-шi процессорды шығаратын нақты тәртiп деп аталатындарға осы тип процессорларында әрдайым жұмыс iстейдi. Нақты тәртiп қолданбалы тәртiптiң синонимы болып табылғанда санамауы керек болғанында емес, оның екiнiң бiрiмен ерекше құқықты режимінде болғанына байланысты.

Нақты тәртiп тек қана оған ерте 8086/88-шi үлгiсiмен және екiнiң бiрiмен процессорлардың кешiрек үлгiлерiнiң үйлесiмдiгiне iске асырылды артықшылықтардың төрт деңгейлерi бiрлерде кешiрек үлгiлердiң процессорларының түсiнiктi барлық ерекшелiктерi болып қалыптасатын процессордың қорғал қалған жұмыс тәртiбi, соның iшiнде және жұмыс болып табылады.