Режим пользователя и режим ядра. Прерывания и исключения

Для надежного управления ходом выполнения приложений операционная система должна иметь по отношению к приложениям определенные привилегии. Обеспечить, привилегии операционной системе невозможно без специальных средств аппаратной поддержки. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы — пользовательский (user mode) и привилегированный, который также называют режимом ядра (kernel mode), или супервизора (supervisor mode). Подразумевается, что операционная система или некоторые ее части работают в привилегированном режиме, а приложения — в пользовательском режиме. Так как основные функции ОС выполняются ядром, то чаще всего именно ядро становится той частью ОС, которая работает в привилегированном режиме.

Иногда это свойство — работа в привилегированном режиме — служит основным определением понятия «ядро». Приложения ставятся в подчиненное положение за счет запрета для них выполнения в пользовательском режиме некоторых критичных команд (инструкций), связанных с переключением процессора с задачи на задачу, управлением устройствами ввода-вывода, доступом к механизмам распределения и защиты памяти. Выполнение некоторых команд в пользовательском режиме запрещается безусловно (очевидно, что к таким командам относится команда перехода в привилегированный режим), тогда как другие запрещается выполнять только при определенных условиях. Например, команды ввода-вывода могут быть запрещены приложениям при доступе к контроллеру жесткого диска, который хранит данные, общие для ОС и всех приложений, но разрешены при доступе к последовательному порту, выделенному в монопольное владение определенного приложения. Важно, что условия разрешения выполнения критичных команд находятся под полным контролем ОС, и этот контроль обеспечивается за счет набора команд, безусловно запрещенных для пользовательского режима. Аналогичным образом обеспечиваются привилегии ОС при доступе к памяти. Например, выполнение команды доступа к памяти для приложения разрешается, если она обращается к области памяти, отведенной данному приложению операционной системой, и запрещается при обращении к областям памяти, занимаемым ОС или другими приложениями. Полный контроль ОС над доступом к памяти достигается за счет того, что команды конфигурирования механизмов защиты памяти (например, изменения ключей защиты памяти в мэйнфреймах IBM или указателя таблицы дескрипторов памяти в процессорах Pentium) разрешается выполнять только в привилегированном режиме. Очень важно, что механизмы защиты памяти используются операционной системой не только для защиты своих областей памяти от приложений, но и для защиты областей памяти, выделенных ОС какому-либо приложению, от остальных приложений. Говорят, что каждое приложение работает в своем адресном пространстве. Это свойство позволяет локализовать некорректно работающее приложение в собственной области памяти, так что его ошибки не оказывают влияния на остальные приложения и операционную систему.

Прерывания являются основной движущей силой любой операционной системы. Отключите систему прерываний, и «жизнь» в операционной системе немедленно остановится. Как верно было замечено: «прерывания названы так весьма удачно, поскольку они прерывают нормальную работу системы». Система прерываний переводит процессор на выполнение потока команд, отличного от того, который выполнялся до сих пор, с последующим возвратом к исходному коду.

Механизм прерываний поддерживается аппаратными средствами компьютера и программными средствами операционной системы. В зависимости от источника прерывания делятся на три больших класса:

· Внешние

· Внутренние

· Программные

Внешние прерывания называют также аппаратными, отражая тот факт, что прерывание возникает вследствие подачи некоторой аппаратурой (например, контроллером принтера) электрического сигнала, который передается (возможно, проходя через другие блоки компьютера, например контроллер прерываний) на специальный вход прерывания процессора. Данный класс прерываний является асинхронным по отношению к потоку инструкций прерываемой программы. Аппаратура процессора работает так, что асинхронные прерывания возникают между выполнением двух соседних инструкций, при этом система после обработки прерывания продолжает выполнение процесса, начиная уже со следующей инструкции.

Внутренние прерывания, называемые также исключениями (exeption), происходят синхронно выполнению программы при появлении аварийной ситуации в ходе обработки некоторой инструкции программы. Примерами исключений являются деление на нуль, ошибки защиты памяти, обращения по несуществующему адресу, попытки выполнить привилегированную инструкцию в пользовательском режиме и т. п. Исключения возникают непосредственно в ходе выполнения тактов команды («внутри» выполнения).

Программные прерывания отличаются от предыдущих двух классов тем, что они по своей сути не являются «истинными» прерываниями. Программное прерывание возникает при выполнении особой команды процессора, что имитирует прерывание, то есть переход на новую последовательность инструкций.

Прерываниям приписывается приоритет, с помощью которого они ранжируются по степени важности и срочности. О прерываниях, имеющих одинаковое значение приоритета, говорят, что они относятся к одному уровню приоритета прерываний. Прерывания обычно обрабатываются модулями операционной системы, так как действия, выполняемые по прерыванию, относятся к управлению разделяемыми ресурсами вычислительной системы: принтером, диском, таймером, процессором и т. п. Процедуры, вызываемые по прерываниям, обычно называют обработчиками прерываний, или процедурами обслуживания прерываний (Interrupt Service Routine, ISR). Аппаратные прерывания обрабатываются драйверами соответствующих внешних устройств, исключения - специальными модулями ядра, программные прерывания — процедурами ОС, обслуживающими системные вызовы. Помимо этих модулей в операционной системе может находиться так называемый диспетчер прерываний, который координирует работу отдельных обработчиков