Особенности указателей в 80х86. Модели памяти

31. Особенности указателей в 80х86. Модели памяти.

См. 30.

Понятие среды ОС. Взаимодействие прикладной программы с ОС. Системные соглашения о связях.

Структура взаимодействия аппаратуры, системы и прикладного ПО.

Аппаратные средства ПРИЛОЖЕНИЕ

Операционная система

Прикладное ПО API

СИСТЕМА

Среда ОС – совокупность условий, в которых работают прикладные програмы в данной ОС. Современная ОС обеспечивает, как минимум, 4 условия:

а) запуск и остановка прикладных программ.

б) распределение ресурсов.

в) обеспечение таких системных услуг, которых нет в аппаратуре.

г) защиту, т.е минимальную вероятность повреждения программ и данных при сбое одной из выполняющихся программ.

Чтобы писать приложения под ОС, существует ряд правил, которым должен следовать программист, в частности, он должен знать API – интерфейс прикладного программирования. Определяет состав, параметры и смысл функций, предоставляемых ОС программисту.

Например: стандарт POSIX на API ОС UNIX включает функции:

Набор файловых операций

Операции со строками

Ф-ии многозадачности, управления процессами

Управление терминалом.

Помимо POSIX есть API Win32 и т.п. АPI ОС может включать самые разнообразные услуги, вплоть до поддержки функций телефонного аппарата на базе модема (TAPI Win32)

Принципы междумодульного взаимодействия: внешние ссылки и общие имена (public names)

Внешние ссылки из сегмента позволяют получать доступ к данным, которые объявлены в другом модуле. Для объявления внешних ссылок в компиляторах с ассемблера используется директива EXTRN. Пример использования:

EXTRN maybe:far

Идентификаторы в программе можно сделать доступными из других модулей. Для этого применяется директива PUBLIC. Пример использования:

maybe PROC far

PUBLIC maybe

Такие действия необходимы для того, чтобы после раздельной компиляции модулей компоновщик, используя имена и смещения, записанные в объектных модулях, разрешил все внешние ссылки директив EXTRN, использовав соответствующие директивы PUBLIC. Если для какой-то ссылки EXTRN не будет обнаружен соответствующий идентификатор PUBLIC, то компоновщик выдаст ошибку unresolved external <имя_идентификатора>, и сборка прекратится.

Использование многомодульной структуры необходимо:

а) для разбиения большого текста на модули по функциональному назначению;

б) для создания библиотек процедур;

в) для написания подпрограмм в языки высокого уровня.

Технология разработки программ – трансляция и редактирование связей. Понятие об исходном, объектном, выполняемом модулях.

Исходный код программы – код, написанный на языке программирования. Может включать модули на ЯВУ и модули с подпрограммами на языке ассемблера.

Объектный модуль – код программы после трансляции (компиляции), преобразованный в машинные коды. Помимо них содержит внешние ссылки и информацию для редактора связей и может также содержать отладочную информацию (debug info).

Исполняемый модуль –модуль, содержащий готовую к выполнению программу – м.б. 2 видов:

а) точный образ памяти программы с привязкой к абсолютным адресам (в MS-DOS – формат файла *.COM)

б) перемещаемый исполняемый формат, см. 17.

Трансляция – получение объектного кода из исходного.

Редактирование связей – разрешение внешних ссылок и создание исполняемого модуля из объектных.

 Основные функции редактора связей – распределение памяти, разрешение внешних ссылок – см. 17, 33. Программные сегменты и их атрибуты, способы распределения памяти под сегменты.

Собственно сегменты и распределение памяти см. 30.

Атрибуты сегментов

Атрибут комбинации сегмента предназначен дляуказания компоновщику, каким образом объединять сегменты, находящиеся в разных модулях и имеющие одинаковые имена. М.б. PRIVATE (сегмент не будет объединяться с одноименными из др. модулей), PUBLIC (будет) и некоторые другие.

Атрибут класса сегмента представляет собой строку, заключенную в кавычки, которая позволяет определить компоновщику нужный порядок размещения сегментов при помещении их в программу из разных модулей. Он группирует вместе сегменты с одинаковым классом.

Атрибут выравнивания сегмента – сообщает компонаовщику, чтобы он позаботился о том, чтобы сегмент начинался с указанной границы. Возможное выравнивание: BYTE – выравнивание не делается, сегмент начинается со следующего байта, WORD (DWORD) – выравнивание погарнице слова (двойного слова), PARA – выравнивание по границе 16-байтового параграфа, и т.п.

Атрибут размера сегмента – показывает размер, 16 или 32-битные сегменты.

Атрибут доступа – показывает возможность доступа к сегменту в защищенном режиме – доступен как кодовый, для чтения, записи, чтения и записи.

Разрешение внешних ссылок, функция автовызова, библиотеки объектных модулей и их использование.

Разрешение внешних ссылок – см. 33, 17.

Библиотеки объектных модулей – пакет объектных модулей, собранных в один файл и подключаемый к программе на этапе разрешения внешних ссылок (все идентификаторы, которые должны быть доступны из библиотек, объявляются в модулях как PUBLIC). Компоновщик может просматривать библиотеку и самостоятельно находить нужные модули, избавляя от этого программиста. Библиотеки делаются с помощью программы-библиотекаря. Библиотекарь может добавлять и извлекать модули, а также получать список доступных идентификаторов.

Любой компилятор ЯВУ имеет в комплекте несколько стандартных библиотек, например, библиотеки ввода-вывода, работы с плавающей точкой, графическую и т.п.

Типы внешних ссылок и общих имен. Статическое и динамическое разрешение ссылок.

Статическое и динамическое разрешение внешних ссылок.

Процесс разрешения внешних ссылок на этапе создания исполняемого модуля – статическое разрешение ссылок. Возможно и динамическое подсоедиение нужных модулей на этапе работы программы.

а) Динамически вызываемый загрузчик, т.е. программа вызывает загрузчик и подсоединяет недостающие части. Такой подход невыгоден (сложен и требует много времени)

б) DLL – принцип разделяемых библиотек. DLL – это пакет функций, отредактированный для исполнения в позиционно-независимом стиле. Имеет таблицу всех содержащихся функций. Для работы с ним программа выполняет 1) функцию загрузки DLL, 2)переход по смещению в таблице функций.

При работе с DLL несколько программ могут использовать одну ее копию в памяти.

Динамическое распределение памяти, оверлейные программы. Общая структура объектного модуля.

Стандартный исполняемый псевдоперемещаемый модуль (например, типа EXE для DOS) содержит сегменты в том виде, в котором они будут размещены в памяти. Такое распределение памяти называется статическим. В ситуации нехватки памяти, отдельный код или данные, которые могут быть нужны не все вместе, а по очереди, разумнее было бы подгружать в память в процессе выполнения. Выделение памяти под выполняемый код в процессе работы программы и удаление их после использования называется динамическим распределением памяти. Программы, содержащие динамически подгружаемые модули, называются оверлейными, а сами такие модули – оверлеями. Загрузка данных из модуля в общем случае не представляет проблем, в случае загрузки кода перед выполнением он должен быть особым образом подготовлен (например, с учетом местоположения вызывающей программы в памяти для подпрограмм должны быть образованы правильные ссылки). Такую подготовку выполняет специальная программа – менеджер оверлеев. Он может поставляться, а) как библиотека компилятора [в Borland Pascal 7.0]. В этом случае оверлейный модуль, как правило, имеет какой-то свой специфический формат, работа с ним ведется с помощью стандартных подпрограмм. Код оверлейных подпрограмм и данных размещается в памяти [в BP буфер оверлеев имеет плавающую границу с кучей] и по окончании работы с ним может быть удален. б) Может быть внедрен в структуру оверлейного модуля. В этом случае модуль имеет формат исполняемого файла, и для инициализации он должен быть запущен стандартным для ОС способом из-под вызывающей программы.

Оверлеи имеют широкое распространение в системе MS-DOS, при подгрузке используется не только основная память, но и DOS-спецификации расширенной: XMS, EMS. В развитых многозадачных системах используется, в основном, очень похожая технология DLL. Ее отличие в том, что она функционирует в защищенном режиме и позволяет использовать одну свою копию в памяти разным программам. DLL можно рассматривать как следущее поколение оверлейной технологии.

Основные функции ОС. Принципы мультипрограммирования. Системные ресурсы.

Основные функции ОС:

1) Управление процессором путем передачи управления программам.

2) Обработка прерываний, синхронизация доступа к ресурсам.

3) Управление памятью.

4) Управление устройствами ввода-вывода.

5) Управление инициализацией программ, межпрограммные связи.

6) Управление данными на долговременных носителях путем поддержки файловой системы.

Ресурс – какой-либо объект или показатель надежности какого-либо объекта. Системные ресурсы – совокупность аппаратных ресурсов и системных сервисов. Основными потребителями системных ресурсов являются процессы, выполняемые в системе.

Защита программ и данных в мультипрограммных средах. Режимы управления. Защита и распределение памяти.

Защита программ и данных в многозадачных ОС означает малую вероятность того, что сбой одной из выполняющихся программ не вызовет повреждения данных или кода других программ, и по возможности изолировать процессы друг от друга. Во всех ОС сущ. хотя бы 2 режима процессора – системный и пользовательский. Программа исп. в пользовательском режиме и не может использовать ряд команд. В системном режиме доступно все. Переключение режимов работы осуществляется системными вызовами. Системный вызов – специальная команда, приводящая к прерыванию, и в ядре ОС существует несколько точек, куда перейдет управление по этому прерыванию. 386 имеет встроенный механизм для этих переключений – шлюз.

Защита памяти – осуществляется путем блокировки доступа к памяти других процессов, а также блокировки доступа к памяти ядра. Один из способов – вся память делится на страницы, и у каждой есть замок – 4-битовый признак, который можно установить только привелигированной командой. В процессоре есть 4-битовый регистр – ключ, который также можно установить только привелигированной командой. При обращении происходит сравнение замка и ключа.

С появлением многозадачности появилась проблема распределения памяти. При работе реальной программы обращения к ОП имеют тенденцию к локализации. Память можно разделить на используемую и неиспользуемую. Чтобы отследить использование области памяти, всю ОП можно разбить на страницы фиксированного размера (4К) и с каждой страницей связать бит, который устанавливать при обращении к данной странице.

Управление ЦП – фоновая обработка, пактная обработка, прерывания. Общая схема функционирования ОС – супервизор, диспетчер, планировщик. Виртуализация.

Супервизор – программа многозадачной ОС, обеспечивающая наилучшее использование ресурсов ЭВМ при одновременном выполнении нескольких задач.

Планировщик – программа, выполняющая алгоритм планирования процессов. Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с центральным процессором в режиме разделения времени.

 Виртуальная память и способы ее реализации. Страничная память. Свопинг.

Виртуальная память отличается от обычной ОП тем, что какие-то ее редко используемые фрагменты могут находиться на диске и подгружаться в реальную ОП по мере необходимости. Такая организация памяти позволяетс снять ограничение, накладываемое объемом физической памяти, установленной на ЭВМ. Для реализации ВП используют, например, динамическю переадресацию. Сегментом в терминах ВП называется область памяти из 2L страниц. Вначале по номеру в таблице сегментов отыскивается сегмент. Таблица сегментов содержит начальный адрес таблицы страниц. Вторая часть адреса используется для обращения в эту таблицу, и по ней находится физический адрес данной страницы. Результаты поизка по таблицам запоминаются в быстродействующем ассоциативном ЗУ, называемом TLB. Наиболее часто употребляемые адреса откладываются в TLB и поэтому 98-99% обращений к памяти идут без просмотра таблиц.

Страничная организация памяти – организация, при которой адресное пространство памяти разбивается на малые участки – страницы. Используется для управления памятью в системах, работающих в защищенном режме. Как правило, такая организация памяти подразумевает пейджинг – механизм виртуальной памяти, при котором страницы вытесняются на диск и подкачиваются с диска.

Свопинг – алгоритм реализации виртуальной памяти. Его можно разбить на три части: управление пространством на устройстве выгрузки, выгрузка процессов из основной памяти и подкачка процессов в основную память. В качестве устройства выгрузки используют раздел на устройстве типа жесткого (swap-partition) или дисковый файл (swap-file) на таком устройстве.

 Системная архитектура 80386: сегментирование, страничная организация, средства авторизации и защиты.

Возможности 80386 полностью раскрываются, когда он работает в защищенном режиме. В этом режиме адресное пространство расширяется до 4Т, а виртуальное – до 64Т. 80386 использует сегментацию – один из методов управления памятью. Сегменты – самостоятельные области памяти, имеющие собственные атрибуты. В сегменте м.б. код программы или данные. Вся информация о сегменте запоминается в спец. структуре, наз. дескриптором. Дескрипторы используются аппаратно и не доступны из программ. Межсегментные вызовы в 80386 происходят с учетом защиты. Помимо сегментации, 80386 поддерживает другой вид организации памяти – страничную организацию. Страницы – это малые блоки памяти одинакового размера, не имеющие логической связи со структурой программ. Они используются в основном на уровне ОС. Страницы могут подкачиваться с диска и вытесняться на диск (пейджинг).

В 80386 есть режим виртуального 8086 – режим, эмулирующий 8086 в защищенном режиме, при котором у каждого пользователя многозадачной системы создается иллюзия монопольного владения ресурсами машины.

80386 поддерживает 4-уровненвую систему защиты, управление защитой осуществляется с помощью уровней привелигированности. Уровень привелигированности управляется привелигированными командами, командами ввода-вывода и доступом к сегментным дескрипто