Операционные системы, понятие и классификация

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Операционные системы. Классификация операционных систем

Операционная система (ОС) - это комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. 

Основные функции операционных систем.

1. Прием от пользователя (или от оператора системы) заданий, или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка.

Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.

2. Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.

3. Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.

4. Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

5. Идентификация всех программ и данных.

6. Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений.

7. Обслуживание всех операций ввода-вывода.

8. Обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления базами данных (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего программного обеспечения.

9. Обеспечение режима мультипрограммирования, то есть организация параллельного выполнения двух или более программ на одном процессоре, создающая видимость их одновременного исполнения. 

10. Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.

11. Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.

12. Для сетевых операционных систем характерной является функция обеспечения взаимодействия связанных между собой компьютеров.

13. Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.

14. Аутентификация и авторизация пользователей (для большинства диалоговых операционных систем).

Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может, а что не может делать на компьютере

15. Удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (характерно для операционных систем реального времени).

16. Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

17. Предоставление услуг на случай частичного сбоя системы.

Классификация операционных систем

Основывается на режимах управления процессами обработки информации:

-По количеству пользователей, обслуживающих одновременно обслуживаемых системой (однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2), многопользовательские (UNIX, Windows NT));

-По количеству процессов одновременно выполняемых системой (однозадачные (например, MS-DOS, MSX), многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95));

-В зависимости от режима доступа к ресурсам (ОС пакетной обработки, ОС реального времени, ОС разделения времени);

-По типу средств вычислительной техники (однопроцессорные, многопроцессорные, сетевые, виртуальные, распределенные ОС и т. д.).

Основывается на видах интерфейса:

ОС с графическим интерфейсом (Windows, Linux, MacOS);

ОС с командным интерфейсом (MS-DOS, Unix, Linux);

ОС с интерфейсом в виде текстовых меню (Farmanager, NC, VC, C, DN).

Основывается на разрядности процессора: По данной классификации различают 8, 16, 32, 64 и 128-разрядные процессоры.

2. Ресурсы вычислительной системы. Классификация ресурсов

операционный вычислительный прерывание

Ресурс - это любой потребляемый (расходуемый) объект, который может быть выделен процессу на определенный интервал времени.

По запасам ресурсы подразделяются на исчерпаемые и неисчерпаемые.

Потребители ресурсов - процессы

Ресурс - это средство вычислительной машины или вычислительной системы, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени

Управление ресурсами водится к выполнению следующих функций:

1)управление доступа к ресурсам;

2)распределение ресурсов между имеющимися задачами.

Общая схема выделения ресурсов

Вычислительный процесс обращения к супервизору (supervisor) операционной системы посредством специальных вызовов (команд, директив) сообщает о необходимости использовать какой ибо ресурс (оперативную память, устройство ввода-вывода и т. п.).

При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем.

Например, при запросе оперативной памяти указывается количество адресуемых ячеек, необходимое для дальнейшей работы.

Команда обращения к операционной системе передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы, если такой существует.

Большинство компьютеров имеют два (и более) режима работы: привилегированный (режим супервизора) и пользовательский. Кроме того, могут быть режимы для эмуляции какой-нибудь другой ЭВМ или для организации виртуальной машины, защищенной от остальных вычислений, осуществляемых на этом же компьютере, и т. д

Ресурс может быть выделен вычислительному процессу (задаче), обратившемуся к операционной системе с соответствующим запросом, если:

ресурс свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу;

текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурсов;

ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, операционная система либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя ее в состояние ожидания (блокируя).

Очередь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего она реализуется с помощью списковой структуры.

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора (посредством соответствующей команды) сообщает операционной системе об отказе от ресурса, либо операционная система забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции.

Супервизор операционной системы, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу.

Если очередь есть, то в зависимости от принятой дисциплины обслуживания и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит ее в состояние готовности к выполнению, после чего либо передает управление ей, либо возвращает управление задаче, только что освободившей ресурс.

При выдаче запроса на ресурс задача может указать, хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами.

Например, с файлом можно работать монопольно, а можно и совместно с другими задачами.

Дисциплина распределения ресурса определяет порядок использования несколькими процессами того или иного ресурса, который в каждый момент времени может обслуживать только один процесс.

Классификация ресурсов

-Аппаратные (процессор, помять, устройства ввода-вывода и др.)

-Программные (все доступные пользователю программные средства управления вычислительными процессами и данными)

-по признаку реальности - на физические и виртуальные (последние только в отдельных свойствах схожи с физическими ресурсами);

-по возможности расширения свойств - на эластичные и жесткие (не допускающие расширяемости);

-по степени активности - на пассивные и активные (способные выполнять действия по отношению к другим ресурсам);

-по времени существования - на постоянные (доступные на протяжении всего времени существования процесса, а также до и после его работы) и временные;

-по степени важности - на основные и второстепенные (допускающие альтернативное развитие процесса);

-по функциональной избыточности при распределении - на дорогие (но предоставляемые быстро) и дешевые (но предоставляемые с ожиданием);

-по структуре - на составные и простые (которые не содержат составных элементов и могут находиться только в одном из двух состояний: «доступен» или «занят»);

-по характеру использования - на потребляемые и воспроизводимые (допускающие многократное использование и освобождение), а также - на используемые последовательно и используемые параллельно (использующиеся несколькими процессами);

-по форме реализации - на жесткие (не допускающие копирования) и мягкие (допускающие тиражирование и в свою очередь подразделяющиеся на программные и информационные ресурсы).

3. Программы операционной системы

Программы ОС постоянно (резидентно)занимают в оперативной памяти объем, установленный при конфигурации системы. Остальные части операционной системы по мере необходимости вызываются из внешней памяти на магнитных дисках. Операционная система обеспечивает осуществление в вычислительной системе следующих процессов:

-обработки задач;

-работы системы в режиме диалога и квантования времени;

-работы системы в реальном масштабе времени в составе многопроцессорных и многомашинных комплексов;

-связи оператора с системой;

-протоколирования хода выполнения вычислительных работ;

-обработки данных, поступающих по каналам связи;

-функционирования устройств ввода-вывода;

-использования широкого набора средств отладки и тестирования программ;

-планирования прохождения задач в соответствии с их приоритетами;

-ведения учета и контроля за использованием данных, программ и ресурсов ЭВМ.

Основные компоненты операционных систем -- управляющие и обрабатывающие программы. Управляющие программы управляют работой вычислительной системы, обеспечивая в первую очередь, автоматическую смену заданий для поддержания непрерывного режима работы ЭВМ при переходе от одной программы к другой без вмешательства оператора.

Управляющая программа определяет порядок выполнения обрабатывающих программ и обеспечивает необходимым набором услуг для их выполнения.

Основные функции управляющей программы:

-последовательное или приоритетное выполнение каждой работы (управление задачами);

-хранение, поиск и обслуживание данных независимо от их организации и способа хранения (управление данными).

Программы управления задачами считывают входные потоки задач, обрабатывают их в зависимости от приоритета, инициируют одновременное выполнение нескольких заданий; вызывают процедуры; ведут системный журнал.

Программы управления данными обеспечивают способы организации, идентификации, хранения, каталогизации и выборки обрабатываемых данных. Эти программы управляют вводом-выводом данных с различной организацией, объединением записей в блоки и разделением блоков на записи, обработкой меток томов и наборов данных.

Программы управления восстановлением после сбоя обрабатывают прерывания от систем контроля, регистрируют сбои в процессоре и внешних устройствах, формируют записи о сбое в журнале, анализируют возможность завершения затронутой сбоем задачи и переводят систему в состояние ожидания, если завершение задачи невозможно.

Конфигурация системы. Прикладная программа в операционных системах может получить от ОС в процессе своей работы характеристики конкретной реализации системы, в среде которой она функционирует: имя, версию и редакцию операционной системы, тип и технические характеристики компьютера. В ОС обычно имеются средства локализации, позволяющие настроить систему на конкретное национальное (местное) представление данных: представление десятичных дробей, денежных величин, даты и времени.

4. Прерывание. Механизм обработки прерываний

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора.

Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима функционирования и распараллеливания работы отдельных устройств вычислительного комплекса.

Прерывание - это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее - к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы:

1. Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется повторно, на шаге 4).

2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений. Состояние процесса определяется прежде всего значением счетчика команд (адресом следующей команды), содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.

3. Управление аппаратно передается подпрограмме обработки прерывания. В простейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры - информация из слова состояния.

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислительных системах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванного процесса.

5. Выполнение программы, связанной с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

7. Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 -- программно.

Функции механизма прерывания:

распознавание (классификация) прерываний;

передача управления соответствующему обработчику прерываний;

корректное возвращение к прерванной программе.

Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процесса или в самом процессе, они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов.

Распределение прерываний по уровням приоритета

Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания:

с относительными приоритетами, то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончании обслуживания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний;

с абсолютными приоритетами, то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса;

по принципу стека, или, как иногда говорят, по дисциплине LCFS (last come first served -- последним пришел - первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маски ни на один сигнал прерывания и не выключать систему прерываний.

Причины прерываний определяет ОС (модуль - супервизор прерываний).

Супервизор прерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычислительного процесса.

Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание.

Наконец, перед тем как передать управление этой подпрограмме, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается супервизору, на этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач. И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени (между выполняющимися процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор.



Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:

прерывания от таймера;

прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу/выводу);

прерывания по нарушению питания;

прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:

при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);

при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;

при делении на ноль;

при переполнении или исчезновении порядка;

от средств контроля (при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля).

5. Процесс. Состояние процесса. Классификация процессов

Процесс - это минимальный программный объект, обладающий собственными ресурсами.

Процесс - это динамическая сущность программы, ее код в процессе своего выполнения. Имеет:

-Собственные области памяти под код и данные, включая значения регистров и счетчика команд;

-Собственный стек;

-Собственное отображение виртуальной памяти ( в системах с виртуальной памятью) на физическую;

-Собственное состояние.

Состояние процесса

Процесс, как любая деятельность по исполнению программы на процессоре, нуждается в управлении, которое заключается в переводе его из одного состояния в другое.

Новый - процесс только что создан.

Готовый - ожидает освобождение CPU.

Выполняемый - команды, программы выполняются в CPU.

Ожидающий - процесс ожидает некоторого события, чаще всего ввода-вывода. Завершенный - процесс завершил свою работу.



Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:

-процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление операционной системе и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает (уничтожается, естественно, не сама программа, а именно задача, которая соответствовала исполнению некоторой программы). В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора (действие этой и других команд оператора реализуется системным процессом, который «транслирует» команду в запрос к супервизору с требованием перевести указанный процесс в состояние бездействия), или путем обращения к супервизору операционной системы из другой задачи с требованием остановить данный процесс;

-процесс переводится супервизором операционной системы в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени;

-процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие запроса операции ввода/вывода (которая должна быть выполнена прежде, чем он сможет продолжить исполнение), либо в силу невозможности предоставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент, а также по команде оператора на приостановку задачи или по требованию через супервизор от другой задачи.

Классификация процессов

По временным характеристикам различают интерактивные, пакетные процессы и процессы реального времени. Время существования интерактивного процесса определяется реакцией ЭВМ на запрос обслуживания. Процессы реального времени имеют гарантированное время окончания работы. Пакетные процессы запускаются один вслед за другим.

По генеалогическому признаку различают порождающие и порожденные процессы.

По результативности различают эквивалентные, тождественные и равные процессы. Все они имеют одинаковый конечный результат, но эквивалентные процессы могут реализовываться как на одном, так и на многих процессорах по одному или разным алгоритмам, то есть они имеют разные трассы, которые определяют порядок и длительность пребывания процесса в разных состояниях. Тождественные процессы реализуются по одной и той же программе, но имеют разные трассы. Одинаковые процессы реализуются по одной программе и имеют одинаковые трассы.

По времени развития процессы делятся на последовательные, параллельные и комбинированные (если есть точки, в которых существуют оба процесса, и точки, в которых существует только один процесс).

По месту развития - внутренние (реализуются на центральном процессоре) и внешние (реализуются на внешних процессорах).

По принадлежности к операционной системе - системные (исполняют программу из состава операционной системы) и пользовательские.

По связности различают процессы:

а) взаимосвязанные имеют какую-то связь (пространственно-временную, управляющую, информационную);

б) изолированные - слабо связанные;

в) информационно-независимые используют совместные ресурсы, но имеют собственные информационные базы;

г) взаимодействующие - имеют информационные связи и разделяют общие структуры данных;

д) взаимосвязанные по ресурсам;

е) конкурирующие.

Порядок взаимосвязи процессов определяется синхронизирующими правилами. Процессы могут находиться в отношении:

а) предшествования - один всегда находится в активном состоянии раньше, чем другой;

б) приоритетности - когда процесс может быть переведен в активное состояние только в том случае, если в состоянии готовности нет процессов с более высоким приоритетом, или процессор свободен, или на нем реализуется процесс с меньшим приоритетом;

в) взаимного исключения - в процессе используется общий критический ресурс, и процессы не могут развиваться одновременно: если один из них использует критический ресурс, то другой находится в состоянии ожидания.

6. Процесс. Планирование процессов

Процесс - это минимальный программный объект, обладающий собственными ресурсами.

-Собственные области памяти под код и данные, включая значения регистров и счетчика команд;

-Собственный стек;

-Собственное отображение виртуальной памяти ( в системах с виртуальной памятью) на физическую;

-Собственное состояние.

Планирование процессов

Система управления процессами обеспечивает прохождение процесса через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставить тот или иной ресурс. Например, новый процесс необходимо разместить в основной памяти, следовательно, ему необходимо разместить в основной памяти, следовательно, ему необходимо выделить часть адресного пространства. Процессу в состоянии готовый должно быть предоставлено процессорное время. Выполняемый процесс может потребовать оборудование ввода-вывода и доступ к файлу.

Распределение процессов между имеющимися ресурсами носит название планирование процессов.

Одним из методом планирования процессов, ориентированных на эффективную загрузку ресурсов, является метод очередей ресурсов. Новые процессы находятся во входной очереди, часто называемой очередью работ - заданий (job queue).

Входная очередь располагается во внешней памяти, во входной очереди процессы ожидают освобождения ресурса -- адресного пространства основной памяти.

Готовые к выполнению процессы располагаются в основной памяти и связаны очередью готовых процессов или ready queue. Процессы в этой очереди ожидают освобождения ресурса процессорное время.

Процесс в состоянии ожидания завершения операции ввода - вывода находится в одной из очередей к оборудованию ввода - вывода, которая носит название devices queue.

При прохождении через компьютер процесс мигрирует между различными очередями под управлением программы, которая называется планировщик.

Операционная система, обеспечивающая режим мультипрограммирования, обычно включает два планировщика -- долгосрочный (long term scheduler) и краткосрочный (short term scheduler/CPU scheduler).

Основное отличие между долгосрочным и краткосрочным планировщиками заключается в частоте запуска, например: краткосрочный планировщик может запускаться каждые 100 мс, долгосрочный - один раз за несколько минут.

Долгосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся во входной очереди, должен быть переведен в очередь готовых процессов в случае освобождения ресурсов памяти.

Долгосрочный планировщик выбирает процесс из входной очереди с целью создания неоднородной мультипрограммной смеси. Это означает, что в очереди готовых процессов должны находиться в разной пропорции как процессы, ориентированные на ввод - вывод, так и процессы, ориентированные на преимущественную работу с CPU.

Краткосрочный планировщик решает, какой из процессов, находящихся в очереди готовых процессов, должен быть передан на выполнение в CPU.

В некоторых операционных системах долгосрочный планировщик может отсутствовать. Например, в системах разделения времени (time sharing system), каждый новый процесс сразу же помещается в основную память



7. Операции над процессами. Блок управления процессом

Операции над процессами

создание процесса - завершение процесса;

приостановка процесса (перевод из состояния исполнение в состояние готовность);

запуск процесса (перевод из состояния готовность в состояние исполнение);

блокирование процесса (перевод из состояния исполнение в состояние ожидание);

разблокирование процесса (перевод из состояния ожидание в состояние готовность).

Блок управления процессом

Для того чтобы операционная система могла выполнять операции над процессами, каждый процесс представляется в ней некоторой структурой данных.

Эта структура содержит информацию, специфическую для данного процесса:

состояние, в котором находится процесс:

программный счетчик процесса или, другими словами, адрес команды, которая должна быть выполнена для него следующей;

содержимое регистров процессора;

данные, необходимые для планирования использования процессора и управления памятью (приоритет процесса, размер и расположение адресного пространства и т. д.);

учетные данные (идентификационный номер процесса, какой пользователь инициировал его работу, общее время использования процессора данным процессом и т. д.);

сведения об устройствах ввода-вывода, связанных с процессом (например, какие устройства закреплены за процессом, таблицу открытых файлов).

Блок управления процессом - модель процесса для операционной системы.

Информацию, для хранения которой предназначен блок управления процессом, удобно для дальнейшего изложения разделить на две части.

Содержимое всех регистров процессора (включая значение программного счетчика) будем называть регистровым контекстом процесса, а все остальное - системным контекстом процесса.

Знания регистрового и системного контекстов процесса достаточно для того, чтобы управлять его работой в операционной системе, совершая над ним операции.

Однако этого недостаточно для того, чтобы полностью охарактеризовать процесс. Операционную систему не интересует, какими именно вычислениями занимается процесс, т. е. какой код и какие данные находятся в его адресном пространстве.

С точки зрения пользователя, наоборот, наибольший интерес представляет содержимое адресного пространства процесса, возможно, наряду с регистровым контекстом определяющее последовательность преобразования данных и полученные результаты.

Код и данные, находящиеся в адресном пространстве процесса, будем называть его пользовательским контекстом.

Совокупность регистрового, системного и пользовательского контекстов процесса для краткости принято называть просто контекстом процесса.

В любой момент времени процесс полностью характеризуется своим контекстом.



8. Процесс. Взаимодействие процессов

Процесс - это минимальный программный объект, обладающий собственными ресурсами.

Процесс - это динамическая сущность программы, ее код в процессе своего выполнения. Имеет:

-Собственные области памяти под код и данные, включая значения регистров и счетчика команд;-

-Собственный стек;

-Собственное отображение виртуальной памяти ( в системах с виртуальной памятью) на физическую;

-Собственное состояние.

Взаимодействие процессов

Совместно выполняемые процессы могут быть либо независимыми (independed processes), либо взаимодействующими (cooperating processes).

Взаимодействие процессов часто понимается в смысле взаимного обмена данными через общий буфер данных.

Взаимодействие процессов удобно рассматривать в схеме производитель - потребитель (produces - consumer).

Например, программа вывода на печать производит последовательность символов, которые потребляются драйвером принтера или компилятор производит ассемблерный текст, который затем потребляется ассемблером.

Для взаимодействия процесса-производителя и процесса-потребителя создается совместный буфер, заполняемый процессом - производителем и потребляемым процессом - потребителем.

Буфер имеет фиксированные размеры, и, следовательно, процессы могут находиться в состоянии ожидания, когда:

-буфер заполнен; ожидает процесс - производитель

-буфер пуст; ожидает процесс - потребитель

Буфер может предоставляться и поддерживаться самой ОС, например, с помощью средств межпроцессорной коммуникации, либо должен быть организован прикладным программистом.

При этом оба процесса используют общий участок памяти.

Взаимодействие заключается в передаче данных между процессами или совместном использовании некоторых ресурсов и обычно реализуется с помощью таких механизмов, как транспортеры, очереди, сигналы, семафоры.

Транспортеры (каналы). Являются средством взаимодействия родственных процессов, представляют собой область памяти, имеющую файловую организацию, для которой обеспечивается запись и считывание данных в транспортере. Реализуется очередь обслуживания. Порядок записи данных на транспортер неизменен, не допускается повторное считывание данных. Обмен данными происходит не непосредственно, а через транспортер.

Он создается функцией DosMakePipe (CreatPipe - Windows 95, CreatNamePipe - Windows NT).

Из вызвавшего процесса задается размер транспортера, запись и чтение производятся функциями DosWrite, DosRead.

Дочерние процессы могут использовать родительский транспортер. Он заканчивает работу, когда все использующие его процессы обратятся к DosClose.

Очереди. Эти механизмы могут обеспечивать передачу или использование общих данных без перемещения данных, а с передачей элемента очереди, содержащего указатель данных и объем массива данных.

Очередь используется вместе с механизмом общей памяти.

Элемент очереди может быть считан с уничтожением или без уничтожения этого элемента.

Чтение элемента может осуществляться в соответствии с механизмом очереди или стека.

Чтение элементов очереди осуществляет только создающий очереди процесс, все другие процессы могут только записать элемент в очередь.

Создающий процесс может выполнять такие действия над очередью:

DosCreatQuene - создание очереди,

DosPeakQuene - просмотр очереди,

DosReadQuene - чтение очереди,

DosCloseQuene - закрытие очереди.

Записывающий процесс выполняет такие действия:

DosOpenQuene - открыть очередь,

DosWriteQuene - записать в очередь,

DosCloseQuene - закрыть очередь.

Имя очереди, которое присваивается создающим процессом, имеет вид полной спецификации файла:

C:\QUEUESE\<имя очереди>

Ожидание элементов в очереди организуется с помощью семафора, сигнализирующего о записи элемента в очередь.

Для работы с очередью определены такие дополнительные функции:

DosQueryQuene (определение количества элементов в очереди в текущий момент), DosPurgeQuene (очистка очереди создавшим ее процессом).

Преимущества очереди: передача данных без копирования по указателю, гибкое изменение порядка передачи и доступа, возможность просмотра элементов очереди без их удаления.

Сигналы. Сигнал является механизмом передачи требования от одного процесса к другому на немедленное выполнение действия.

Обработчик сигнала создается процессом и помещается в начале первого потока процесса. Является аналогом обработки прерывания.

При передаче управления обработчику передается адрес возврата и тип принятого сигнала.

Процесс, посылающий сигнал типа флаг, может передать дополнительную информацию обработчику сигнала.

Для OS/2 определены такие типы сигналов:

Нажатие Ctrl-Break (SIGBREAK).

Нажатие Ctrl-C (SIGINTR).

Flag A (SIGPGA).

Flag B (SIGPFB).

Flag C (SIGPFC).

Характер выполняемых действий при возникновении сигнала: обработка системной ошибки при появлении сигнала, блокирование сигнала, передача управления подпрограммы.

Семафоры. Являются механизмами передачи сообщений от одного потока к другому о наступлении некоторого события.

B OS/2 различают семафоры системные и оперативной памяти.

Семафоры оперативной памяти - двойное слово в памяти системы, его описатель - адрес места в памяти. Такие семафоры не создаются и не открываются, а устанавливаются в определенное состояние. Процессы, использующие семафоры оперативной памяти, должны иметь доступ к соответствующему сегменту памяти. Операционная система такие семафоры не обслуживает и не сообщает об их освобождении или захвате.

Системные семафоры создаются функцией DosSemCreat с присваиванием ему имени.

При создании семафора или его открытии возвращается описатель семафора, включающий его имя. Операционная система контролирует завершение каждого процесса, владеющего системным семафором, и освобождает его для процессов.

Используются функции по обслуживанию системных семафоров. Новый семафор создается со спецификацией функцией DosCreatSem C:\SEM\<имя семафора>. DosSemRequest - запрос на захват семафора.

Если семафор свободен, то он захватывается вызывающим его процессом, если семафор занят, то вызвавший его поток переходит в режим ожидания освобождения семафора или ожидает истечения времени.

Семафор, захваченный по DosSemRequest, освобождается после соответствующего количества освобождений. Освобождение семафора происходит по функции DosCloseSem.

Если семафор освобождается всеми использующими его процессами, то он удаляется из системы.

DosOpenSem - доступ процесса к существующему семафору, созданному другим процессом.

Управление семафором реализуется с помощью функций:

DosSemSee установка семафора с целью сигнализации,

DosSemClear очистка семафора с целью сигнализации,

DosSemWait ожидание вызывающим потоком, пока семафор не будет выключен,

DosMaxSemWait ожидание потоком выключения одного из нескольких семафоров.

В операционных системах OS/2 и Microsoft Windows существует специальный механизм для взаимодействия процессов в реальном масштабе времени. Этот механизм называется DDE (Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными).

Он стандартизирует процесс обмена командами, сообщениями и объектами для обработки между задачами. Наиболее распространенные действия, для которых используются DDE - печать.

Другим интерфейсом для обмена данными является OLE (Object Linking and Embedding - объектное связывание со встраиванием). Этот интерфейс позволяет хранить объекты, созданные одной программой, в объектах, созданных другой программой, а также редактировать (печатать) их без нарушения целостности информации и связей.
Одним из наиболее простых, удобных и интуитивных интерфейсов межпрограмного взаимодействия является буфер обмена - Clipboard. Буфер обмена может содержать в себе один информационный объект - фрагмент текста, картинку и т.д.

С помощью системного вызова процесс может получить копию информации, содержащейся в буфере обмена или сам поместить объект в буфер, при этом старое содержимое буфера теряется. Таким образом, программы получают простой, но эффективный способ обмена информацией в процессе своей работы.

9. Файл. Организация файлов. Характеристика файлов

Файл - заименованная совокупность данных, обычно размещающаяся на устройстве внешней памяти.

Организация файлов - это способ расположения записи файла во внешней памяти.

Виды организации файлов:

1. последовательная - записи располагаются в физическом порядке (как формируются);

Такая организация применяется для файлов хранящихся на магнитной ленте и выводящихся на печать, т .к это последовательный носитель данных.

2. индексно-последовательная - записи располагаются в логической последовательности, в соответствии со значениями ключей содержащихся в каждой записи..

В системе имеется специальный индекс, где указывается физические адреса определенны записей. Доступ к индексно-последовательным записям может осуществляться последовательно, в порядке возрастания (убывания) значений ключа, либо прямо по ключу путем поиска по системному индексу. Индексно-последовательные файлы обычно хранятся на диске.

3. прямая - доступ к записям осуществляется прямо (произвольно) по их физическим адресам на запоминающем устройстве.

Прикладная программа помещает записи на запоминающее устройство в любом удобном ей порядке. Файлы прямой организации требуют чтобы пользователь имел детальное представление о физических особенностях внешних запоминающих устройств на которых хранятся его файлы.

4. Библиотечная - файлы состоят из последовательных подфайлов.

Каждый последовательный подфайл называется элементом или членом файла. Начальный адрес каждого такого элемента хранится в директории файлов. Библиотечный файлы часто используются для хранения программных библиотек.

Методы доступа к файлам:

1. Методы доступа с очередями.

Более широкие возможности чем у базисных. Применяются в тех случаях, когда последовательность обработки записи можно предвидеть.(последовательная, индексно последовательная организации файлов).

В этих методах предусматривается упреждающая буферизация и планирование операций ввода/вывода, т. е приемы направленные на то чтобы к концу обработки одной записи следующая была готова для обработки. Методы доступа с очередями обеспечивают автоматическое блокирование и деблокирование записи.

2. Базисные методы доступа.

Применяются когда последовательность обработки записи предвидеть нельзя (библиотечная и прямая организация). Базисными методами доступа читаются и записываются физические блоки. Блокирование и деблокирование выполняет сам пользователь.



10. Дескриптор файла. Управление доступом

Дескриптор файла или блок управления файлом - это управляющий блок, который содержит информацию, необходимую системе для выполнения различных операций с файлом.

Типичный дескриптор файла содержит следующую информацию:

1. Символическое имя файла, 2. размещение файла во внешней памяти, 3. тип организации файла, 4. тип устройства файла, 5. данные для управления доступом, 6. тип файла, 7. диспозицию (постоянный, временный или рабочий файл), 8. дату и время создания, 9. дату уничтожения, 10. дату и время последней модификации, 11. счетчик активности доступа. Дескрипторы файла хранятся во внешней памяти и передаются в основную память только после открытия соответствующего файла. Дескриптором файлов управляет ФС. Управление доступом. Чтобы создать двумерную матрицу управления доступом, в которой указываются все пользователи и файлы системы, нужно использовать специальные коды для указания различных прав доступа. При указании всех данных матрица становится очень большой и реализовать ее в системе не возможно. Существует способ требующий значительно меньше места в памяти системы - это управление доступом к файлам в зависимости от классов пользователей.

Категории пользователей:

1. Владелец - автор файла. 2. Указанный ли допущенный пользователь - это которому разрешено владельцем работать с файлом. 3. Группа или проект - доступ к файлам разрешен членам конкретной группы пользователей работающим над определенным проектом. 4. Общедоступный - доступ к файлам разрешен для любого пользователя системы, может быть указан код доступа (только для чтения, только для записи, для чтения и записи).



11. Файловая система. Функции файловой системы

ФС - это множество именованных наборов данных, организованная по принятым спецификациям, которые определяют способ расположения и способы получения адресной информации для доступа к файлам. ФС представляет возможность работать с логическим уровнем структуры данных и операций выполняемых над данными, а также определяют способ организации данных на диске или ином носители. Система управления файлами - специальное системное программное обеспечение реализующее работу с файлами по принятым спецификациям ФС. Система управления файлами - это комплекс программных модулей обеспечивающих работу с файлами в конкретной ОС. Для каждой СУФ разрабатывается соответствующая СУФ. СУФ представляет пользователю следующие возможности: 1. Создание, удаление и другие операции именованных наборов данных из своих программ или посредством специальных управляющих программ реализующих функции интерфейса пользователя с его данными и активно использующих СУФ.

2. Работа с не дисковыми периферийными устройствами, как с файлами.

3. Организация обмена данными между файлами, между устройствами, между файлами и устройствами и наоборот.

4. Работа с файлами путем обращений к программным модулям в системе управления файлами.

5. Защита файлов от несанкционированного доступа.

Основное назначение ФС и СУФ - предоставление удобного доступа к данным организованным в виде файлов т. е вместо низкоуровнего доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.



12. Файловая система NTFS. Общая характеристика

Июнь 1993 Gary Kimura, Tom Miller.

Поддерживается в Windows NT, и во всех последующих Windows.

Владеет операцией журналирования файловых операций.

Файловая система HPFS. Общая характеристика

Разработана специалистами Microsoft и IBM. (Со стороны Microsoft проектом руководил программист Гордон Летвин).

Впервые поддержка ФС появилась в ОС OS/2 версии 1.2. Также поддерживается во всех версиях OS/2.

В Widows NT до версии 3.51 включительно.

Структура диска.

Диск делится на сектора по 512 байт.(в текущей версии ФС).

SuperBlock содержит информацию о геометрии диска, указатели на битовые карты (т.н. битмапы,) свободного пространства, указатель на корневой каталог, размер дисковой полосы, номер полосы с каталогами, указатель на список сбойных блоков и т.п. SuperBlock также содержит дату последнего запуска CHKDSK. Обычно изменяют SuperBlock только программы CHKDSK и FORMAT.

Для определения свободен сектор или занят, HPFS использует битовые карты, в которых каждый бит соответствует одному сектору. Если бит содержит 1, то сектор занят, иначе он свободен. Если бы на весь диск была только одна битовая карта, то для её подкачки приходилось бы перемещать головки чтения/записи в среднем через половину диска. Чтобы избежать этого, HPFS разбивает диск на «полосы» длиной по 8 мегабайт и хранит битмапы свободных секторов в начале или конце каждой полосы. При этом битмапы соседних полос располагаются рядом.

Принципы работы ФС.

HPFS распределяет пространство, основываясь на физических 512 байтовых секторах а не на кластерах, независимо от размера раздела (это позволяет сэкономить дисковое пространство).Также позволяет и непроизводительные потери, т. к в непредусмотренно хранение до 300 байт расширенных атрибутов в F-узле файла, без захвата для этого дополнительного сектора.

Имена фалов могут иметь длину до 254 символов, они сортируются в порядке, определяемом последовательностью символов в текущей кодовой странице системы.

Основные возможности ФС.

При открытии или создании файла интеллектуальный алгоритм выделяет наиболее подходящую полосу. HPFS не налагает ограничений на максимальный размер файла. Цель довести размер раздела до 2 Тбайт, на сегодня имеется ограничение в 64 Гбайта. Файлы и каталоги.

Базируются на фундаментальном объекте FNODE. Каждая FNODE занимает один сектор и располагается на близости от своего файла или каталога. FNODE содержит длину и первые 15 символов имени файла, статистику по доступу к файлу, внутреннюю информацию, расширенные атрибуты, ассоциативную информацию о расположении и подчинении файла.

Имена файлов и каталогов не должны превышать 260 символов при этом каждая компонента пути не должна быть длиннее 255 символов.

Экстент - часть файла лежащая в последовательных секторах. (файлы, каталоги и их расширенные атрибуты рассматриваются HPFS как наборы экстентов). Каждый экстент описывается двумя числами: номером первого сектора и длинны. два последовательных экстента всегда объединяются HPFS в один. Минимальный размер экстента один сектор, максимальный 16 Мбайт. Каталоги в HPFS образуют древовидную структуру, но при этом внутри каталога HPFS стоит сбалансированное дерево, на основе имен файлов, для быстрого поиска файла по имени внутри каталога.



13. Распределение памяти статическими и динамическими разделами с фиксированными границами

Самая простая схема распределения памяти между несколькими задачами предполагает, что память, не занятая ядром ОС, может быть разбита на несколько непрерывных частей- разделов. Разделы характеризуются именем, типом, границами (обычно указывается начало раздела и его длина)

Разбитие памяти на несколько непрерывных разделов может быть фиксированным (статическим) либо динамическим (процесс выделения нового раздела памяти происходит при появлении новой задачи).

Разделы с фиксированными границами.

Разбиение всего объема оперативной памяти на несколько разделов может осуществляться единовременно (в процессе генерации варианта ОС) или оператором системы.

В каждом разделе в каждый момент времени может располагаться по одной программе. В этом случае к каждому разделу можно применить все те методы создания программ, которые используются для однопрограммных систем.

Возможно использование оверлейных структур, что позволяет создавать большие сложные программы и в тоже время поддерживать коэффициент мультипрограммирования на должном уровне.

первые мультипрограммные ОС строились по этой схеме. Эта схема не сложная и обеспечивает возможность параллельного выполнения программ. Иногда в некотором разделе размещалось по нескольку небольших программ, которые постоянно в нем и находились. Такие программы называют ОЗУ - резидентными.

Такая же схема используется и в современных встроенных системах , но для них характерно что все программы являются резидентными и внешняя память во время работы вычислительного оборудования не используется.

При небольшом разделе памяти увеличить число параллельно выполняемых приложений можно за счет замены их в памяти или свопинга. При свопинге задача может быть целиком выгружена на магнитный диск, а на ее место загружается либо более привилегированная, либо просто готовая к выполнению другая задача, находившаяся на диске в приостановленном состоянии. При свопинге из основной памяти о внешнюю перемещается вся программа.

Проблема которая возникает при организации мультипрограммного режима работы вычислительной системы - защита как самой ОС от ошибок и преднамеренного вмешательства процессов в ее работу, как и самих процессов друг от друга.

Программа может обращаться к любым ячейкам в пределах своего адресного пространства. Если система отображения памяти не содержит ошибок, и в самой программе их тоже нет, то возникать ошибок при выполнении программ недолжно.

В случае ошибок адресации исполняющая программа может начать "обработку" чужих данных или кодов с непредсказуемыми последствиями.

Чтобы этого избежать водят регистры защиты памяти. В эти регистры ОС заносит граничные значения области памяти раздела текущего выполняющегося процесса.

При нарушении адресации возникает прерывание и управление предается супервизору ОС. Обращение задач к ОС за необходимыми сервисами осуществляется через команды программных прерываний, что обеспечивает передачу управления только в определенные входные точки кода ОС и в системном режиме работы процессора, при котором регистры защиты памяти игнорируются. Поэтому для защиты требуется введение специальных аппаратных механизмов используемых ОС.

Недостаток распределения с фиксированными границами - наличие большого объема неиспользуемой памяти (она может быть в каждом из разделов). Т. к разделов несколько, то и не используемых областей несколько, такие потери называются фрагментацией памяти.

Чтобы избежать такие потери решили:

выделять раздел такого объема, который нужен под текущую задачу.

размещать задачу не в одной непрерывной области памяти, а в нескольких областях.

14. Распределение памяти статическими и динамическими разделами с подвижными границами

При появлении новой задачи диспетчер памяти просматривает этот список и выделяет для задачи раздел, объем которого либо равен необходимому, либо чуть больше, если память выделяется не ячейками, а некими дискретными единицами.

При освобождении раздела диспетчер памяти пытается объединить освобождающийся раздел с одним из свободных участков, если они смежные.

Список свободных участков может быть упорядочен по адресам или по объему.

Способы выделения памяти под новый раздел:

первый подходящий участок,

самый подходящий участок,

самый неподходящий участок.

В первом случае список свободных областей упорядочивается по адресам. Диспетчер просматривает список и выделяет задаче раздел в той области, которая первой подойдет по объему, в этом случае если такой фрагмент имеется необходимо просмотреть половину списка. Правило "первый подходящий" приводит к тому, что память для небольших задач будет выделяться в области младших адресов, и это увеличит вероятность того что в области старших адресов будут образовываться фрагменты большого размера.

Способ "самый подходящий" , предполагает, что список свободных областей упорядочен по возрастанию объема фрагментов. В этом случае при просмотре списка для нового раздела будет использован фрагмент свободной памяти, объем которой наиболее точно соответствует требуемому. Требуемый раздел будет определяться в результате просмотра в среднем половины списка.

...