Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486

4. МУЛЬТИЗАДАЧНОСТЬ В ПРОЦЕССОРЕ I80286

В подавляющем большинстве программы, составленные для реального режима процессора, выполняются в однозадачном режиме, полностью монополизируя все ресурсы компьютера. Однако в реальной жизни человеку, работающему с компьютером требуется одновременный доступ к двум или большему числу программ.

Подтверждением этому служит наличие огромного количества резидентных программ - от простейших часов и калькуляторов до сложных резидентных интегрированных сред, аналогичных Borland SideKick.

Резидентные программы, за редким исключением, не реализуют настоящую мультизадачность. Обычно с помощью резидентных программ вы можете только переключаться от одной запущенной программы к другой. Типичный пример "мультизадачной" резидентной программы - часы, которые работают параллельно с другими программами и постоянно показывают время в заранее определённом месте экрана. Другой пример - резидентная программа фоновой печати PRINT, входящая в состав MS-DOS.

Использование резидентных программ - не самый лучший способ организации переключения задач. Это связано с возникновением конфликтов между различными резидентными программами - например, по клавишам их активизации или по используемым прерыванием.

Учитывая необходимость реализации переключения программ, фирма Microsoft в операционной системе MS-DOS версии 5.0 реализовала переключатель программ, встроенный в диалоговую оболочку DOSSHELL. Эта оболочка позволяет запустить на выполнение несколько программ и переключаться от одной к другой. Но активна только одна задача - та, на которую переключился пользователь. Остальные находятся в "замороженном" состоянии.

Однако часто бывает необходимо, чтобы программы работали в режиме разделения времени процессора. В этих случаях нужно использовать операционную систему, работающую в мультизадачном режиме - OS/2, UNIX, XENIX, WINDOWS, DeskView.

Мультизадачность позволяет не только задействовать все ресурсы современных персональных компьютеров, но и существенно повышает производительность труда. Например, вы с помощью модема принимаете файл размером 1-2 мегабайта. Скорость передачи данных по телефонным линиям редко превышает 2400 бит в секунду, поэтому в худшем случае процесс получения файла может растянуться на часы. Без использования мультизадачности ваш компьютер всё это время будет занят только приёмом файла. Более того, в основном он будет находиться в состоянии ожидания, так как передача данных производится очень медленно.

Без мультизадачности вы обречены ждать завершения процесса и не сможете выполнять на компьютере никакую другую работу, что само по себе весьма печально. И это несмотря на то, что компьютер практически ничем не загружен!

Как же можно организовать мультизадачность? Самый простой способ заключается в использовании таймера.

Напомним, что таймер вырабатывает прерывание IRQ0 примерно 18,2 раза в секунду. Операционная система может использовать это прерывание для переключения с одной выполняющейся программы на другую, предоставляя каждой программе квант времени. При этом у пользователя компьютера возникнет иллюзия параллельной работы нескольких программ.

К сожалению, из-за ограниченного объёма книги мы не сможем подробно обсудить все проблемы, связанные с организацией мультизадачности. В конце книги есть список литературы, в которой эти вопросы рассмотрены более подробно. Однако мы тем не менее остановимся на нескольких принципиальных моментах (которые, кстати, напрямую не связаны с защищённым режимом работы процессора).

Первый момент связан с загрузкой программ. В мультизадачной среде одновременно работают несколько программ. Они должны либо все одновременно находиться в оперативной памяти, либо загружаться туда по мере необходимости с магнитного диска.

Если программы загружены в память одновременно, то для каждой из них, разумеется, должна быть выделена своя область памяти. Как для программ, так и для областей данных, принадлежащих этим программам.

Для обеспечения надёжной работы программ было бы также неплохо изолировать эти области памяти друг от друга для предотвращения случайного или преднамеренного доступа за пределы выделенной области памяти.

Второй момент - процесс переключения от выполнения одной программы к выполнению другой. Инициатором этого процесса обычно является таймер, генерирующий периодические прерывания.

При переключении необходимо полностью сохранить контекст выполняемой программы, чтобы в дальнейшем можно было бы продолжить её выполнение с прерванного места. Под контекстом программы мы здесь понимаем содержимое регистров центрального процессора (а также регистров арифметического сопроцессора, если он используется одновременно несколькими программами).

Третий момент связан с необходимостью обеспечения взаимодействия параллельно работающих программ. Программы должны иметь возможность получать доступ к аппаратным ресурсам компьютера, к сервису операционной системы. Кроме того, программы должны уметь обмениваться друг с другом данными и сигнализировать друг другу (а также операционной системе) о возникновении каких либо событий.

При монопольном использовании компьютера в однозадачном режиме все ресурсы компьютера находятся во владении запущенной программы. Но если одновременно работают несколько программ и все они хотят вывести что-нибудь на экран дисплея... В этом случае должен существовать механизм, обеспечивающий совместное использование ресурсов компьютера параллельно работающими программами.

Ситуация напоминает железнодорожный переезд - движение разрешено либо поездам, либо автомобилям, но не одновременно и тем и другим!

Решение проблемы также аналогичное - установка семафора. Только в случае с железной дорогой это настоящий семафор, а в случае мультизадачной операционной системы - это ячейка памяти, отражающая текущее состояние ресурса - свободен или занят. Если ресурс компьютера занят какой либо программой, другие программы должны ждать, пока он не освободится (пока не проедет поезд).

Нет никаких принципиальных препятствий для реализации мультизадачности в реальном режиме. Однако ограничения, присущие реальному режиму не позволяют сделать это достаточно эффективно. Например, ограниченное адресное пространство не позволяет держать в оперативной памяти одновременно несколько больших программ, а подгрузка программ с диска выполняется медленно. Отсуствие какой бы то ни было изоляции адресных пространств программ влечёт за собой ненадёжную работу всей системы в целом, так как любая программа из-за ошибки или преднамеренно может разрушить всю систему.

Поэтому все мультизадачные операционные системы используют защищённый режим работы процессора. Адресация памяти в защищённом режиме полностью удовлетворяет требованиям изолирования параллельно работающих программ.

Например, для каждой программы можно создать свою локальную таблицу дескрипторов LDT. В этом случае программа принципиально будет иметь доступ только к своей области памяти, выделенной ей операционной системой. Для организации межзадачного взаимодействия можно вызывать модули операционной системой через вентили вызова. Кроме того, операционная система может создать области памяти "общего пользования", поместив соответствующие дескрипторы в глобальную таблицу дескрипторов GDT. Таблица GDT одна на все программы и доступна всем программам.

Кроме того, процессор i80286 и более старшие модели имеют специальные средства, значительно ускоряющие переключение с одной программы на другую за счёт автоматического сохранения контекста в специально выделенной для каждой программы области памяти.

В этой главе мы рассмотрим средства мультизадачности процессора i80286 и приведём пример небольшого мультизадачного монитора, обеспечивающего параллельную работу нескольких программ.