מבנה מערכת מחשוב מודרנית כללית

בכדי להבין את הארכיטקטורה של מחשבים, גורמים כאלה ואחרים בחומרה של המחשב, רצוי להבין את ההקשר שבהם

הם מתפקדים. הרבה יותר קל להבין גורם במחשב כאשרמבינים מה תפקידו.

המחשבים הראשונים היו מחשבים שהריצו תוכנית אחת. על מנת לגרום למשב לבצע חישוב כלשהוא היה צריך לטעון את

התוכנית ולהריץ אותו. כל עוד הוא הריץ את התוכנית הזו הוא לא היה יכול לעשות שום דבר אחר. בכדי שהוא יעשה חישוב אחר היה צורך לטעון תוכנית אחרת על פניו. כל פעולה כמו

קלט/פלט נעשה במפורש ע"י התוכני. מי שכתב את התוכנית הזו היה חייב לדעת איך מבצעים כל פעולה במחשב ולכתוב את

הקוד במפורש בתוכנית.

מחשוב מהצורה הזו עדיין קיימת במערכות משובצות מחשב )embedded systemsמסוימות. אלו מערכות שהמחשב משמש )

כבקר של חומרות אחרות. למשל, בקר של מעלית. דוגמאות נוספות שכולנו מכירים יכולים להיות הטלפונים הניידים שקדמו לסמארטפונים. היו שם יישומים מסוימים כמו ספר טלפונים או

לוח פגישות אבל מה שהיה שם היה שם ולא היה ניתן להוסיףדבר.

. כמעטלמערכות מחשוב כלליותכרגע נפנה את תשומת הלב כל המחשוב )כולל אפילו טלפונים ניידים( נע בכיוון הזה. לסוג זה של מחשוב וריאנטים רבים, החל ממחשבי כף יד, מחשבים

אישיים, שרתים, מחשבי ענן, מחשבי על. עם כל ההבדלים ביניהם, רובם המכריע הם פשוט וריאנטים של אותו רעיון בסיסישהומצא ככל הנראה לקראת שנות הששים של המאה הקודמת:

, שילוב שלמכונה וירטואליתמערכת מחשוב כללית היא חומרה ותוכנה, המעמידה רובד אבסטרקטי מנותקמהחומרה לרשות המשתמשים ומפתחי היישומים.

מערכתמי שאחראי על מימוש המכונה הוירטואלית היא . ההפעלה

של מערכת ההפעלה היאזהו תפקידו המקורי והחשוב ביותר שהנושא הזהגורם היחיד והוא המימוש המכונה הוירטואלית

.באחריותושהוא

במחשבים פירושו "מתפקד כמו, אבל virtualהמושג וירטואל איננו פיזי".

בפועל מושג וירטואלי במחשבים הוא מושג המיושם גם בעזרתתוכנה.

לפיכך מכונה וירטואלית הוא משהו שמתפקד כמו מכונה אבלאיננו לחלוטין מכונה פיזית.

בכדי להתרשם מההבדל בין מכונה פיזית למכונה וירטואלית, כדאי לחשוב מזה מכונה פיזית בעצם. אול הדוגמא הדרמטית

. המכוניות קדמו בהרבההמכוניתביותר למכונה פיזית היא למחשבים וכל מי שנוהג במכונית יודע, שהגם שהוא מעורב

בערב רב של מושגים, כל אמצעי שהנהג משתמש )למעט אולי הגיר האוטומטי( מגובה פיזית: ההגה, המעצורים, דוושת הגז,

הפנסים וכל ההשלכות של השימוש בהם כל אילו רכיבים. פיזיתהממומשים

לעומת זאת משתמשים ואפילו מתכנתי יישומים כמעט כל הזמן הדרמטיתחושבים כלל במושגים שכלל אינם פיזיים. הדוגמא

.ההתייחסות לזיכרון המשני הוא ביותר

הזיכרון המשני עבר מספר רב של תמורות במהלך השנים. היו פעם טכנולוגיה של נייר מנוקב, סרטים מגנטיים, דיסקים

אלקטרומגנטיים, טכנולוגיה המבוססת על צריבה אבל תמיד מה קבצים ועצישעמד לעיני המשתמשים היו אותם מושגים:

.ספריות

מכיל מידעדיסק אלקטרומגנטיכמעט כל איש מקצוע שמע ש . הם מחולקים ליחידותTracksעל מעגלים קונצנטרים הנקראים

כאילו( אבל כל זה Sectorsמשנה בעלי שמות שונים )בדרך כלל . הם עבור המשתמשים ומתכנתי היישומיםרלוונטי לא

חושבים במושגים של קבצים ועצי ספריות, ובחלק מהמערכות - של מידע על הזיכרון המשני הוא מושגאיבר היחידהכוננים. . יתר המושגים מארגנים את הקבצים בצורה יהיה(fileהקובץ )

הם(directory( וספריות )fileקבצים )קל יותר למצוא אותם. מושגים אבסטרקטיים המנותקים מהמימוש הפיזי שלהם. מקור

המושגים הללו בכלל מעולם המשרדים.

באופן ציורי, המעבר מהמשתמש דרך המכונה הווירטואליתלמכונה הפיזית נראה ככה:

משתמש קבצים,ספריות

יישוםפונקציות

fopen, fread,

fwrite, fseek… ,

קריאותמערכת

מערכתההפעלה

מנהלהתקן

חומרה

> - - - - המכונה וירטואלית -- - < > - - המכונה- - <פיזית

הן רוטינות מיוחדות במערכת ההפעלהקריאות מערכת שיישומים יכולים לקרוא להן לשירות. הן גם הקוד היחיד

שיישומים יכולים לקרוא להן לשירות. הפנייה אליהן נעשה ע"יממשק מיוחד.

למשל הממשק הזה הינו:

INT 21h נעשה ע"י DOSב--INT 2Eh נעשה ע"י Windowsב--Int 80h נעשה ע"י Linuxב--

נראית ככה:DOSלמשל קבוצת קריאות המערכת של

מורכב לעיןWindows וב-linuxקבוצת קריאות המערכת ב- הקריאות תלויות משום מה בגרסת ה-Windowsערוך יותר, ב-

Windowsדבר המקשה על מימוש קומפילרים(, תיאור( הם הבאים:linuxקריאות המערכת הראשונות של

משיקולים טכניים מערכת ההפעלה לא יכולה לעשות לבד את מימוש המכונה הווירטואלית. הקושי נובע מכך שמפתחי מערכת

ההפעלה לא יכולים להכיר את כל החומרות שהמערכת תכיל, חלקם יומצאו רק אחרי הפיתוח של מערכת ולא ניתן יהיה

להתאים את מערכת ההפעלה לכל גרסה חדשה של חומרה ויש גם סיבות לא לרצות לעשות זאת. לפיכך מערכת ההפעלה

מתפקדת במידה רבה כקבלן העושה את רוב מטלותיו בעצמו אך מעסיק קבלני משנה בחלק מהמטלות, בייחוד בכל הקשור

. קבלני המשנה הללו נקראים מנהלילחומרהלגישה ישירה (. מנהלי התקן הן תוכנות קלט/פלטDevice driversהתקן )

ישירות לחומרה שפותחו ע"י יצרני החומרה. כיום החומרות והמנהלי ההתקן מפותחות ע"י חברות המתמחות בסוג מסוים

של חומרות, למשל בכל הקשור לדיסקים זה יכול להיות חברות, … וכו'. Western Digital, Seagateכמו

בדרך כלל קוראים לזה "מודל השכבות":

מודל השכבות של מערכת המחשוב מודרנית

משתמש

יישומים

מערכת ההפעלה

BIOSמנהלי התקן

חומרה באחריות יצרן המחשב

המשתמש מדבר כמעט אך ורק עם היישומים, היישומים מעבירים הלאה את רצונותיו למערכת ההפעלה, שמעבירה

הלאה למנהלי ההתקן, שרק הם מתקשרים לחומרה.

דוגמא למימוש מושג במכונה הוירטואלית: הדיסק הקשיחהאלקטרומגניטי

נחזור אל הדוגמא של הדיסק הקשיח. בשלב זה, נצמצם את הדיון לסוג מסוים מאד של דיסקים קשיחים: הדיסק האלקטרו-

מגנטי בעל ראש קורא כותב אחד. ייתכן מאד שהטכנולוגיה נמצאת בדרך החוצה, אבל עדיין הרבה דיסקים מיושמים בשיטה

הזו ואולי חשוב מכך: הטכנולוגיה הזו הייתה הדומיננטית במשך שנים רבות והיא קבעה את שיטות העבודה ומערכת המושגים

בהקשר הזה.

, בשלב זהSSDדיסקי ה-מעבר לזה, הדיסקים של הדור הבא – SSD. דיסקי ה-כאילו הם דיסקים אלקטרומגנטייםמנוהלים

דומיםמערכיםהם טכנולוגיה מבוססת על צריבה ולמעשה הם שומרים על ערכם )רק שהם (DRAMלזיכרון האלקטרוני )מאד

לנהל אותם איך( ואפשר איטיים יותרללא חיבור לחשמל ו . בכדי שאפשר יהיה לעבוד מיד ולא להמתין לפיתוחשרוצים

תוכנה חדשה ייעודית לדיסקים אלו, הם מנוהלים כאילו הם דיסקים אלקטרומגנטיים. זה עשוי שלא להאריך ימים, אבל יכול

nativeלהיות שלא יהיה רווח גדול אם יהיה להם התייחסות משלהם.

יותר מהדיסקים האלקטרומגנטייםיקרים כרגע SSDדיסקי ה- . כך שלא מןנפחים גדוליםוקשה הרבה יותר לממש אותם ב

הנמנע שדיסקים אלקטרומגנטיים ימשיכו להיות חשובים זמן רב.

אז איך ממומש המעבר מהחומרה למערכת קבצים וספריות?

דיסק קשיח אחרי יצורו הוא בעצם לא יותר מאשר פלטה ועליו נסורת ברזל וחומר גמיש שמחזיק אותן במקום. בנוסף יש זרוע

מכנית שמכיל אלקטרומגנט קורא/כותב בקצה. לאורך השנים היה התקדמות בהקטנת הקצה הקורא/כותב, הגדלת קצב

הסיבובים ללא אובדן אמינות. היצרן של המחשב מספק תוכנה , היודע בדיוק באיזה דיסק מדובר. קרי: מנהלמנהל התקן–

ההתקן עשוי שלא להתאים לשום דיסק אחר, גם של אותו יצרן. מנהל ההתקן עובד בעזרת פקודות קלט פלט הוא כותב לאוגרים של הדיסק הקשיח. הצורה שבו מנהל ההתקן עובד הוא במשגים

ברגע ברגעy", "כתוב תוכן xשל "הבא את הראש הקורא לזוית כך וכך " וכו'. הפעולות הללו מאד תלויום במאפיינים

הספציפיים של הדיסק המסוים.

. הפירמוט הזהLow Level Format בשלב ראשון הדיסק עובר נעשה ע"י תוכנה של ייצרן הדיסק. הפירמוט הזה בעצם "יוצר"

את החלוקה של תוכן הדיסק. שיטת הפירמוט נקבע לחלוטין ע"י היצרן. מנהל ההתקן רושם במקומות שנקבעו ע"י צוות הפיתוח

ערכים מיוחדים לצורכי סנכרון וכן מבני נתוניםהזהשל הדיסק -ים פגומים.trackשל מידע עבור הספציפי שבו מדובר, כמו

הוא לאתחל את תוכן הדיסק –כמעטlow level formatעיקר ה- סימנים מיוחדים – למעט 0לכל מקום בדיסק נכתב הערך

-ים, נקודות התחלהTrackהקובעים נקודות התחלה של ומספרים סידוריים של סקטורים וערכים מיוחדים אחרים.

קריאת הדיסק תלויה בסימנים המיוחדים הללו אחד הבעיות שנובעות מכך הוא שערכי הסימנים מיוחדים יכולים להיות תוכן

של קובץ – ויש להחליפם בערכים אחרים המיצגים אותם.

, נוצר על הדיסק חלוקה ליחידותLow Level Formatעם סיום ה- תמונה ויחידות משנה שלו. הדבר יוצר Tracksמידע שנקרא

של דיסק כאשר דיסקים שונים הנבדלים זה מזה רקסטנדרטית -ים, נפחם וכו'. הדברTrackבמאפיינים כמותיים כמו מספר ה-

תומך באפשרות ששימוש בדיסק ניתן לנסח בקשות לכתיבה / קריאה בצורה שהיא בלתי תלויה במאפיינים של הדיסק, למעט

האספקט הכמותי.

אפשר לעשות בעניין הזה אנלוגיה למערכים. מערכים בשפה . אךJava ממומשים בצורה שונה למדי מאשר ב-Cכמו

ההתייחסות של התוכניתנים למערכים בשתי השפות במובניםמסוימים היא זהה.

Lowהתרשים הבא ממחיש במשהו איך נראה הדיסק לאחר Level Format:

The Indispensable Hardware Bookמקור:

. הפירמות הזהHigh Level Formatבשלב הבא הדיסק עובר נעשה ע"י תוכנה של כותב מערכות ההפעלה, שיטת הפירמות

בדרך כלל נושא שם שמזהה אותו עם מערכות ההפעלה כמוFAT או NTFSתוכנת הפירמות ותוכנת מנהל הדיסק של מערכת .

כאילו לדעת שמדובר בדיסק קשיחההפעלה צריכים , אבל הם פטורים מלדעת את המאפייניםאלקטרומגנטי

Trackהמדויקים. בשיטה הזו תוכנת הפירמות מקצה מספרי ויחידות משנה למטרות שלה. למשל טבלאות הקובעות איזה

ספריות יש והיכן למצוא אותם, איזה מאפיינים יש לכל תת

ספריה, קובץ וכו'. בקשות הכתיבה של תוכנת הפירמות ושל שמתרגםדרך מנהל ההתקןמערכת ההפעלה בכלל עוברות

את הבקשות לפעולות קלט/פלט על הדיסק הזה, כך שהפירמות.low levelאינו מוחק את הפירמות הזה

יוצר על הדיסק את התמונה מעכשיוHigh Level Formatה- והלאה המשתמש ותוכנת היישום מתייחס לדיסק: עצי ספריות,

קבצים ושטח פנוי. מעכשיו בקשות לכתיבה /קריאה לדיסק מנוסחים במושגים של עצי ספריות וקבצים, שעוברים המרה ע"י

מערכת ההפעלה לתמונה הסטנדרטית של הדיסק. הבקשות המתורגמות מועברות למנהל ההתקן, המתרגם אותם לפעולות

המגדרות במושגים של ערכי אוגרים הנכתבים בפעולותקלט/פלט לדיסק עצמו.

High Levelהתרשים הבא ממחיש במשהו את הדיסק לאחר Format:

The Indispensable Hardware Bookמקור:

מבנה מערכת הפעלה מערכת ההפעלה היא בעצם התוכנה שאחראית על הגדרה של

המכונה הוירטואלית והיא הממשק אליה. בעיקרו של דבר . כלומר מערכת ההפעלהתוכנת תשתיתמערכת הפעלה היא

היא תוכנה פאסיבית שבעצם רק מספקת שירותים לתוכניות היישום. תוכניות היישום הן בעצם קובעות למה משמש המחשב. לדוגמא, אם מחשב נועד לחשב תחזיות של מזג האוויר, מערכת

ההפעלה לא יודעת זאת.

מושג התהליך

כיום כמעט כל מערכת הפעלה מריצה תוכניות רבות במקביל, . תהליך הוא ביצועprocessesתהליכים במסגרת מה שנקרא

של תוכנית. לכל תהליך יש רק תוכנית אחת ברגע מסוים אבללתוכנית יכולה להיות מספר תהליכים המריצים אותה בו זמנית.

Task ויפעיל את ה-Ctrl+Alt+Delete, כל מי שיעשה Windowsב-Manager תחת לשונית Processesיראה את התהליכים הפעילים

יפה מאד, ויראה שחלק מהתוכניות מופיעות יותר מפעם אחת.

יש לציין שלא כל מערכת הפעלה תמכה בתהליכים. מערכת הראשון לא תמכו בזה. אבל מערכותIPhone וה-DOSההפעלה

כאלו קיימות היום, אם בכלל, רק במחשבים חלשים.

הרכיבים הבסיסיים של מערכת ההפעלה

Kernelגרעין מערכת ההפעלה .1 )קבוצת קריאותAPIהממשק לתוכניות היישום .2

המערכת( מנהל החומרה ומנהלי ההתקנים )מנהלי החומרות(.3

Device Drivers..System Processתהליכי המערכת .4

של המחשב. טכניתהמנהל – הוא גרעין מערכת ההפעלה הנטען לזיכרון בזמן עלית מערכת. ב-בקובץ ביצועימדובר

Windows למשל, השם שלו היום ntoskrnl.exe.

הגרעין מקבל החלטות, ממש מדיניות, ומנחה את הרכיביםהאחרים. הוא הגורם העיקרי בכל הקשור לראיה כלל מערכתית.

קריאות – ידוע גם כרשימת (APIהממשק לתוכניות היישום ) הינן רשימת הפונקציות הפומביות(System Callsהמערכת )

APIשדרכם היישומים מפנים בקשות למערכת ההפעלה. ה- בעצם מגדיר בעקיפין את )או לפחות חלק גדול מ( המכונה

הוירטואלית.

הן התוכנות צד שלישי )היצרנים של החומרות(מנהלי ההתקן – שמשתלבים במערכת ההפעלה ומקבלות בקשות קלט/פלט

עבורן.

הן קוד של מערכת ההפעלה הרצות במסגרתתהליכי מערכת – דומה ליישומים. הן קיימות בעיקר מסיבה טכנית: הגרעין אינו

יכול לשלוט במעבד ברציפות יותר מדי זמן.

גרעין מערכת ההפעלה, כמו כל מנהל בעצם, אחראי על מערכות רבות, חייב להיות כל הזמן נגיש ואינו יכול להתרכז

לאורך זמן ברק אחד מתפקידיו. לפיכך, בעוד שמטרות קצרות הוא אולי יכול לעשות בעצמו, אבל משימות לאורך זמן הוא חייב

להעביר למסגרת אחרת. המסגרת הזו היא תהליכי המערכת. מי שיסתכל על רשימת התהליכים הכולל במחשב שלו יראה,

לצד תהליכים המריצים יישומים, רשימה של תהליכים שמריציםתוכניות מסתוריות. אלו הן תהליכי המערכת.

הקוד של מנהלי ההתקן משולבים או בגרעין או בתהליכימערכת.

יחסי הגומלין בין הגרעין לתהליכים:

נמצא רוב הזמן בידי התהליכים.CPUה--

אוAPI ביוזמת התהליכים )אוהשליטה עוברת לגרעין - ביוזמת פסיקות החומרה.אוקריאות מערכת(

פסיקות החומרה מתבצעות בתדירות גבוהה. לפיכך- של לפחות חלק מפסיקות החומרה,ISRהגרעין הוא גם ה-

אולי הסיבה העיקרית למה הוא אינו יכול לרוץ זמן רבברצף.

אז איפה הקוד של מערכת ההפעלה?

בקובץ גרעין מערכת ההפעלה )הכוללים את קוד קריאות-המערכת(

בקבצי תהליכי המערכת- בקבצי מנהלי ההתקן )נטענים בתוך הגרעין או בקוד-

תהליך מערכת(.

התרשים הבא ממחיש את יחסי הגומלין בין הגרעין ותהליכיהמערכת:

תרשים מיקומו של הגרעין במערכתההפעלה

תהליכי יישומים תהליכי מערכת

קריאות קריאות מערכתמערכת

הגרעין

פסיקות פסיקות .

חומרה חומרה וחריגות וחריגות

. .