3.Концептуальные основы операционных систем.
Под этим понятием мы будем понимать описание базовых логических примитивом внутренней структуры ОС.
В основе логической структуры три базовых примитива (термина): событие, процесс и ресурс.
Процесс. При таком подходе задача ВС определяется как одна или более последовательностей команд (одна команда), обрабатываемых управляющей программой как один элемент работы ВС. Выполнение задачи реализуется ОС запуском не менее одного процесса, т.е. задача – это один или несколько процессов.
Процессы и задачи следует отличать от понятий программы и задания.
Фундаментальное отличие процесса от программы заключается в том, что процесс описывается как последовательность событий, при этом каждое событие рассматривается как не имеющее времени и происходящее мгновенно.
Процесс описания торгового аппарата, которые торгует шоколадками можно описать двумя событиями: М – опускание монетки, Ш – выдача шоколадки. Тогда описать его можно: ТАП = М – Ш. В программе мы указываем последовательность действий a=b+c, а не событий, которые необходимо выполнить. Следовательно, процесс – это программа во время ее выполнения.
Под заданием будем понимать единицу работы, возлагаемой на ВС пользователем. Задание может состоять из одной или нескольких задач.
Помимо событий, процесс может быть описан своими состояниями. Выделяют следующие основные состояния:
Порождение. Во время этого состояния система подготавливает условия для первого исполнения процесса.
Активное состояние. Процесс выполняется, значит центральный процессор принадлежит процессу.
Ожидание. Процесс блокирован, как правило, из-за занятости необходимых ему ресурсов.
Готовность. У процесса есть все необходимые ресурсы, кроме центрального процессора.
Окончание. После этого ресурсы процессу не предоставляются и он завершается.
Процессы и их состояния можно изображать в виде графом или соответствующих матриц смежности.
Для практического использования важно провести классификацию процессов.
Признак “время существования” - Процессы могут быть – реального времени, интерактивные (диалоговый режим) и пакетные.
Признак “генеалогический” - Порождающие и порожденные процессы.
Признак “принадлежность к ОС” - Системные и пользовательские процессы.
Признак “отношение к центральному процессору” - Внутренние и внешние.
Признак “порядок выполнения” – Последовательные, параллельные и смешанные процессы.
Признак “взаимосвязь” – Изолированные, информационно независимые, взаимодействующие и конкурирующие процессы.
Признак “результативность процесса” – Различные, эквивалентные, тождественные и равные процессы.
Существуют формальные модели процессов, основанные на событиях:
Хоар – последовательность событий.
Сети Петри – процессы описываются через их свойства – динамика развития.
Ресурс – это средство ВС, которое может быть выделено процессу на определенный интервал времени. Основные ресурсы – это процессор, оперативная память, наборы данных, периферийные устройства, программы.
Для выделения и использования ресурсов важны их свойства, а следовательно классификация.
Ресурсы делятся по признакам:
Реальность существования – физический и виртуальный ресурс.
Возможность расширения (изменения) состава – эластичные и жесткие ресурсы.
Степень активности – активные и пассивные ресурсы.
По времени существования – постоянные и временные ресурсы.
По степени важности – главные и второстепенные ресурсы.
По стоимости – дорогие и дешевые.
По структуре – простые и сложные.
По восстановимости – воспроизводимые и потребляемые.
По характеру использования – параллельно используемые и последовательно используемые.
Прерывание – это важнейшее событие, на котором основана реализация всех современных ОС.
Прерывание – это временное прекращение процесса, вызванное событием, внешним по отношению к этому процессу и совершенное таким образом, что процесс может быть продолжен.
Прерывание – это событие, при котором меняется нормальная последовательность команд, выполняемых процессором.
Сигнал прерывания сначала обрабатывается аппаратурой, и если оно произошло, то последовательно выполняются следующие действия:
Управление передается ОС.
Она запоминает состояние прерванного процесса.
Она анализирует тип прерывания и передает управление соответствующей программе обработки.
Программа обработки выполняет требуемое действие и возвращает управление ОС.
ОС по результатам обработки либо продолжит прерванный процесс, либо аварийно заканчивает его.
Инициатором прерывания может быть и выполняющийся процесс.
Различают 6 основных классов прерываний:
От схем контроля (аппаратная ошибка).
Прерыванию по рестарту (перезапуск ВС).
Прерывание ввода-вывода (рабочее прерывание, сигнализирующее в устройствах ввода-вывода).
Внешнее прерывание (причины – сработал таймер, параллельный внешний процесс и т.д.) – многие процессы имеют доступ к системе прерываний.
Прерывание по вызову супервизора (ЦП при выполнении программы обнаруживает код супервизорской команды SVC – такая команда позволяет генерировать запрос о вызове конкретной системной услуги). Открывает доступ пользователю к ОС (недостаток с точки зрения информационной безопасности).
Программные прерывания. Две причины: 1) Процесс пытается выполнить ошибочную операцию. 2) Процесс выполнил заранее подготовленную программу прерывания для обеспечения перехода к выполнению других действий.
Для обработки прерываний каждого типа предусмотрены специальные программы обработки прерываний – IE (Interact Handler).
Переключение контекста. С каждым прерыванием связаны слова, называемые словами состояния программы (СПП, PWS – program word statement). Различают текущее PSW, новое PSW и старое PSW. Текущее PSW содержит информацию о выполняющемся процессе и постоянно обновляется по мере его развития. Новое PSW содержит информацию о маске (типе) прерывания и адрес соответствующей программы обработки.
Когда происходит прерывание, выполняются следующие действия:
Текущее PSW становится старым PSW для прерываний этого класса.
Новое PSW становится текущим PSW.
После этого ЦП получает адрес соответствующей программы обработки, которая начинает выполняться.
Когда обработка закончена (если речь идет о нормальном завершении обработки), то происходит обратное переключение слов состояний программы, при котором старое PSW становится текущим, и прерванный процесс продолжает свою работу.
Система прерываний – сердце ОС. Это вторая по значимости точка нарушения безопасности ОС (особенно через классы 4-5).