Основні поняття, концепції ОС

У процесі еволюції виникло кілька важливих концепцій, які стали невід’ємною частиною теорії й практики ОС. Тут дається їхній короткий опис.

Системні виклики

У будь-якій операційній системі підтримується механізм, що дозволяє користувальницьким програмам звертатися до послуг ядра ОС. В операційних системах найбільш відомої радянської обчислювальної машини БЭСМ-6 відповідні засоби “спілкування” з ядром називалися екстракодами, в операційних системах IBM вони називалися системними макрокомандами й т.д. В ОС Unix такі засоби називають системними викликами.

Системні виклики (system calls) – це інтерфейс між операційною системою й користувальницькою програмою. Вони створюють, видаляють і використають різні об’єкти, головні з яких – процеси й файли. Користувальницька програма запитує сервіс в операційної системи, здійснюючи системний виклик. Є бібліотеки процедур, які завантажують машинні регістри певними параметрами й здійснюють переривання процесора, після чого керування передається оброблювачеві даного виклику, що входить у ядро операційної системи. Ціль таких бібліотек – зробити системний виклик схожим на звичайний виклик підпрограми.

Основна відмінність полягає в тому, що при системному виклику завдання переходить у привілейований режим або режим ядра (kernel mode). Тому системні виклики іноді ще називають програмними перериваннями, на відміну від апаратних переривань, які частіше називають просто перериваннями.

У цьому режимі працює код ядра операційної системи, причому виконується він в адресному просторі й у контексті його завдання, що викликало. Таким чином, ядро операційної системи має повний доступ до пам’яті користувальницької програми, і при системному виклику досить передати адреси однієї або декількох областей пам’яті з параметрами виклику й адреси однієї або декількох областей пам’яті для результатів виклику.

У більшості операційних систем системний виклик здійснюється командою програмного переривання (INT). Програмне переривання – це синхронна подія, що може бути повторене при виконанні того самого програмного коду.

Переривання

Переривання (hardware interrupt) – це подія, яка генерується зовнішнім (стосовно процесора) пристроєм. За допомогою апаратних переривань апаратури або інформує центральний процесор про те, що відбулася яка-небудь подія, що вимагає негайної реакції (наприклад, користувач нажав клавішу), або повідомляє про завершення асинхронної операції вводу-виводу (наприклад, закінчене читання даних з диска в основну пам’ять). Важливий тип апаратних переривань – переривання таймера, які генеруються періодично через фіксований проміжок часу. Переривання таймера використаються операційною системою при плануванні процесів. Кожен тип апаратних переривань має власний номер, що однозначно визначає джерело переривання. Апаратне переривання – це асинхронна подія, тобто воно виникає поза залежністю від того, який код виконується процесором у цей момент. Обробка апаратного переривання не повинна враховувати, який процес є поточним.

Виняткові ситуації

Виняткова ситуація (exception) – подія, що виникає в результаті спроби виконання програмою команди, що з якихось причин не може бути виконана до кінця. Прикладами таких команд можуть бути спроби доступу до ресурсу при відсутності достатніх привілеїв або звертання до відсутньої сторінки пам’яті. Виняткові ситуації, як і системні виклики, є синхронними подіями, що виникають у контексті поточного завдання. Виняткові ситуації можна розділити на поправні й непоправні. До поправного ставляться такі виняткові ситуації, як відсутність потрібної інформації в оперативній пам’яті. Після усунення причини поправної виняткової ситуації програма може виконуватися далі. Виникнення в процесі роботи операційної системи поправних виняткових ситуацій уважається нормальним явищем. Непоправні виняткові ситуації найчастіше виникають у результаті помилок у програмах (наприклад, розподіл на нуль). Звичайно в таких випадках операційна система реагує завершенням програми, що викликала виняткову ситуацію.

Файли

Файли призначені для зберігання інформації на зовнішніх носіях, тобто прийнято, що інформація, записана, наприклад, на диску, повинна перебувати усередині файлу. Звичайно під файлом розуміють іменовану частину простору на носії інформації.