Мультизадачность в процессоре i286

11/18/94 08:31am zr_mz.lek
А.В.Фролов, Г.В.Фролов "Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486. Практическое руководство по использованию защищенного режима" БСП том 6 М "Диалог-МИФИ" 1993
В.Б.Бродин, И.И.Шагурин "Микропоцессор i486. Архитектура, программирование, интерфейс" М "Диалог-МИФИ" 1993
--"i486tm микропроцессор" в 2-х книгах Библиотека программиста "И.В.К.-СОФТ" М 1993

Мультизадачность в процессоре i286

МУЛЬТИЗАДАЧНОСТЬ - такой способ организации работы вычислительной системы, при котором в ее памяти содержатся программы и данные для выполнения нескольких процессов обработки информации (задач). При этом должна обеспечиваться взаимная защита программ и данных, относящихся к разным задачам, а также возможность перехода от выполнения одной задачи к другой.

При работе процессора в реальном режиме многозадачность в полном объеме реализовать достаточно сложно. Наличие большего числа резидентных в памяти задач как правило не реализуют настоящую многозадачность, эти программы посуществу являются подзадачами основного алгоритма.

Некотрым подобием многозадачности является возможность переключения задач, реализованная в диалоговой оболочке DOSSHELL. Но здесь многозадачность мнимая, т.к. из множества одновременно запущенных задач выполняется только та, которая объявлена активной в данный момент.

Основная идея истинной многозадачности сводится к повышению производительности ВС путем снижения потерь времени центрального процессора на выполнение операции ввода/вывода информации. При необходимости выполнения такой операции процессор автоматически переключается на выполнение другой задачи до окончания операции в/в. Помимо этого ОС имеет механизм при котором все ресурсы ВС доступны всем выполняемым задачам ОДНОВРЕМЕННО.

Основные моменты реализации многозадачного режима:

1 РАЗМЕЩЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ОП - В мультизадачной среде одновременно работают несколько программ. Эти программы должны постоянно находиться в ОП или должен существовать эффективный механизм загрузки модулей в память и выгрузки измененой информации при переключении задач. Если памяти достаточно для размещения всей информации, то должен существовать механизм защиты; если памяти мало, то на диске отводится непрерывная область для временного хранения "ненужной" информации.

2 ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ЗАДАЧ - Инициатором переключения может быть таймер, если истек отведенный интервал времени или сама программа при возникновении определенной ситуации (не подготовлены данные, требуется дополнительный сегмент памяти, ситуация оговоренная в условиях отладки...). При переключении должен быть сохранен контекст программы (регисты процессора, сопроцессора...), для обеспечения возможности дальнейшей работы.

3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОГРАММ - Программы должны иметь возможность получать доступ к аппаратным ресурсам компьютера и обмениваться информацией между собой. Для решения вопроса синхронизации программ и использования ресурсов служит система семафоров и буферов устройств.

Все эти вопросы достаточно легко решаются в защищенном режиме, области доступные конкретной программе описываются при помощи LDT данной программы, а все системные ресурсы доступны ОС через GDT. Через глобальную таблицу пользовательские программы получают доступ только к специальнооговоренным ресурсам.

Процессор i286 и старшие модели имеют средства, облегчающие переключение программ и автоматическим сохранением их контекста в специальновыделенной для каждой программы области.

Сегмент состояния задачи.

Возможно не только паралленьное выполнение нескольких программ, но и каждая программа может состоять из нескольких частей, работающих параллельно.

Эти самостоятельные части и называются ЗАДАЧАМИ или процессами. По прерываниям от таймера процессор переключается от одной задачи к другой, и таким образом осуществляется параллельное выполнение программ.

Информация о состоянии процессора i286, необходимая для восстановления контекста задачи, хранится в специальной области памяти, называемой СЕГМЕНТОМ СОСТОЯНИЯ ЗАДАЧИ (Task State Segment). Сегмент TSS, выполняемой задачи, адресуется процессором при помощи 16-ти битного регистра Task Register (TR), содержащий селектор соответствующего дескриптора TSS.

Формат TSS (указаны смещения от начала области в байтах):

Переключение задач.

Переключить задачу можно тремя способами:

  1. По команде JMP - В этом случае в качестве операнда указывается адрес сегмента TSS. Для возврата необходимо воспользоваться той же командой с адресам сегмента TSS исходной;

  2. По команде CALL - В качестве операнда указывется адрес сегмента TSS, при переключении в регистре FLAGS устанавливается бит вложенной задачиNT, а в поле доступа дескриптора делается пометка "занятый TSS" что исключает возможность рекурсивного вызова. Однако возможен дальнейший вызов других вложенных задач. При возврате по команде IRET адрес возврата берется из поля LINK.
    В качестве операнда каманды CALL может быть указан шлюз вызова задачи:
    16 бит - Не используется;
    16 бит - Селектор TSS;
    8 бит - Не используется;
    8 бит - Доступ (тип вентиля задачи);
    16 бит - Резерв.
    Вентили задач могут располагаться в таблицах GDT и LDT.
    Отличие вызова задачи от вызова подпрограммы заключается в необходимости переключения TSS, что связано с большими временными затратами и организацией возврата. При возврате из подпрограммы используется команда RET, а из задачи IRET. Это отличие приводит к тому, что повторный вход в задачу осуществляется по адресу следующему за IRET. При переключении задач привелигированность проверяется только при выполнении JMP или CALL, обратное переключение по IRET и остальные случаи (исключения, прерывания, шлюзы в LDT) без проверки, т.к. задачи работают в изолированных адресных пространствах.
    Отличие шлюза задачи от шлюза вызова заключается в отсутствии возможности передачи параметров.

  3. Переключение задачи по прерыванию - В этом случае вентили задач располагаются в дескрипторной таблице прерываний IDT и используются для решения задач обслуживания устройств.

Синхронизация задач.

Для управления доступом к коллективным ресурсам используется система семафоров. В простейшем случе это ячейка памяти. Каждая задача перед обращением к ресурсу должна убедиться в его незанятости, занять его, а после использования освободить. Систему семафоров, обычно, ведет ОС а пользовательские программы не имеют доступа к ресурсу напрямую. Если программа пользователя обращается с требованием о выделении ресурса, то ОС если выделение в данный момент невозможно приостанавливает соответствующую задачу или организует буфер, освобождаемый при появлении соответствующей возможности.

Stay-at-home