- •Морис Дж. Бах Архитектура операционной системы unix предисловие
- •Глава 1. Общий обзор особенностей системы
- •1.1 История
- •1.2 Структура системы
- •1.3 Обзор с точки зрения пользователя
- •1.3.1 Файловая система
- •1.3.2 Среда выполнения процессов
- •1.3.3 Элементы конструкционных блоков
- •1.4 Функции операционной системы
- •1.5 Предполагаемая аппаратная среда
- •1.5.1 Прерывания и особые ситуации
- •1.5.2 Уровни прерывания процессора
- •1.5.3 Распределение памяти
- •1.6 Выводы
- •Глава 2. Введение в архитектуру ядра операционной системы
- •2.1 Архитектура операционной системы uniх
- •2.2 Введение в основные понятия системы
- •2.2.1 Обзор особенностей подсистемы управления файлами
- •2.2.2 Процессы
- •2.2.2.1 Контекст процесса
- •2.2.2.2 Состояния процесса
- •2.2.2.3 Переходы из состояния в состояние
- •2.2.2.4 «Сон» и пробуждение
- •2.3 Структуры данных ядра
- •2.4 Управление системой
- •2.5 Выводы и обзор последующих глав
- •2.6 Упражнения
- •Глава 3. Буфер сверхоперативной памяти (кеш)
- •3.1 Заголовки буфера
- •3.2 Структура области буферов (буферного пула)
- •3.3 Механизм поиска буфера
- •3.4 Чтение и запись дисковых блоков
- •3.5 Преимущества и неудобства буферного кеша
- •3.6 Выводы
- •3.7 Упражнения
- •Глава 4. Внутреннее представление файлов
- •4.1 Индексы
- •4.1.1 Определение
- •4.1.2 Обращение к индексам
- •4.1.3 Освобождение индексов
- •4.2 Структура файла обычного типа
- •4.3 Каталоги
- •4.4 Превращение составного имени файла (пути поиска) в идентификатор индекса
- •4.5 Суперблок
- •4.6 Назначение индекса новому файлу
- •4.7 Выделение дисковых блоков
- •4.8 Другие типы файлов
- •4.9 Выводы
- •4.10 Упражнения
- •Глава 5. Системные операции для работы с файловой системой
- •5.1 Open
- •5.2 Read
- •5.3 Wriте
- •5.4 Захват файла и записи
- •5.5 Указание места в файле, где будет выполняться ввод-вывод — lseeк
- •5.6 Closе
- •5.7 Создание файла
- •5.8 Создание специальных файлов
- •5.9 Смена текущего и корневого каталога
- •5.10 Cмена владельца и режима доступа к файлу
- •5.11 Stat и fstат
- •5.12 Каналы
- •5.12.1 Системная функция pipе
- •5.12.2 Открытие поименованного канала
- •5.12.3 Чтение из каналов и запись в каналы
- •5.12.4 Закрытие каналов
- •5.12.5 Примеры
- •5.14 Монтирование и демонтирование файловых систем
- •5.14.1 Пересечение точек монтирования в маршрутах поиска имен файлов
- •5.14.2 Демонтирование файловой системы
- •5.15 Linк
- •5.16 Unlinк
- •5.16.1 Целостность файловой системы
- •5.16.2 Поводы для конкуренции
- •5.17 Абстрактные обращения к файловым системам
- •5.18 Сопровождение файловой системы
- •5.19 Выводы
- •5.20 Упражнения
- •Глава 6. Структура процессов
- •6.1 Состояния процесса и переходы между ними
- •6.2 Формат памяти системы
- •6.2.1 Области
- •6.2.2 Страницы и таблицы страниц
- •6.2.3 Размещение ядра
- •6.2.4 Пространство процесса
- •6.3 Контекст процесса
- •6.4 Сохранение контекста процесса
- •6.4.1 Прерывания и особые ситуации
- •6.4.2 Взаимодействие с операционной системой через вызовы системных функций
- •6.4.3 Переключение контекста
- •6.4.4 Сохранение контекста на случай аварийного завершения
- •6.4.5 Копирование данных между адресным пространством системы и адресным пространством задачи
- •6.5 Управление адресным пространством процесса
- •6.5.1 Блокировка области и снятие блокировки
- •6.5.2 Выделение области
- •6.5.3 Присоединение области к процессу
- •6.5.4 Изменение размера области
- •6.5.5 Загрузка области
- •6.5.6 Освобождение области
- •6.5.7 Отсоединение области от процесса
- •6.5.8 Копирование содержимого области
- •6.6 Приостановка выполнения
- •6.6.1 События, вызывающие приостанов выполнения, и их адреса
- •6.6.2 Алгоритмы приостанова и возобновления выполнения
- •6.7 Выводы
- •6.8 Упражнения
- •Глава 7. Управление процессами
- •7.1 Создание процесса
- •7.2 Сигналы
- •7.2.1 Обработка сигналов
- •7.2.2 Группы процессов
- •7.2.3 Посылка сигналов процессами
- •7.3 Завершение выполнения процесса
- •7.4 Ожидание завершения выполнения процесса
- •7.5 Вызов других программ
- •7.6 Код идентификации пользователя процесса
- •7.7 Изменение размера процесса
- •7.8 Командный процессор shell
- •7.9 Загрузка системы и начальный процесс
- •7.10 Выводы
- •7.11 Упражнения
- •Глава 8. Диспетчеризация процессов и ее временные характеристики
- •8.1 Планирование выполнения процессов
- •8.1.1 Алгоритм
- •8.1.2 Параметры диспетчеризации
- •8.1.3 Примеры диспетчеризации процессов
- •8.1.4 Управление приоритетами
- •8.1.5 Планирование на основе справедливого раздела
- •8.1.6 Работа в режиме реального времени
- •8.2 Системные операции, связанные со временем
- •8.3 Таймер
- •8.3.1 Перезапуск часов
- •8.3.2 Внутренние системные тайм-ауты
- •8.3.3 Построение профиля
- •8.3.4 Учет и статистика
- •8.3.5 Поддержание времени в системе
- •8.4 Выводы
- •8.5 Упражнения
- •Глава 9. Алгоритмы управления памятью
- •9.1 Свопинг
- •9.1.1 Управление пространством на устройстве выгрузки
- •9.1.2 Выгрузка процессов
- •9.1.2.1 Выгрузка при выполнении системной функции fork
- •9.1.2.2 Выгрузка с расширением
- •9.1.3 Загрузка (подкачка) процессов
- •9.2 Подкачка по запросу
- •9.2.1 Структуры данных, используемые подсистемой замещения страниц
- •9.2.1.1 Функция fork в системе с замещением страниц
- •9.2.1.2 Функция exec в системе с замещением страниц
- •9.2.2 "Сборщик" страниц
- •9.2.3 Отказы при обращениях к страницам
- •9.2.3.1 Обработка прерываний по отказу из-за недоступности данных
- •9.2.3.2 Обработка прерываний по отказу системы защиты
- •9.2.4 Замещение страниц на менее сложной технической базе
- •9.3 Система смешанного типа со свопингом и подкачкой по запросу
- •9.4 Выводы
- •9.5 Упражнения
- •Глава 10. Подсистема управления вводом-выводом
- •10.1 Взаимодействие драйверов с программной и аппаратной средой
- •10.1.1 Конфигурация системы
- •10.1.2 Системные функции и взаимодействие с драйверами
- •10.1.2.1 Open
- •10.1.2.2 Closе
- •10.1.2.3 Read и Writе
- •10.1.2.4 Стратегический интерфейс
- •10.1.2.5 Ioctl
- •10.1.2.6 Другие функции, имеющие отношение к файловой системе
- •10.1.3 Программы обработки прерываний
- •10.2 Дисковые драйверы
- •10.3 Терминальные драйверы
- •10.3.1 Символьные списки
- •10.3.2 Терминальный драйвер в каноническом режиме
- •10.3.3 Терминальный драйвер в режиме без обработки символов
- •10.3.4 Опрос терминала
- •10.3.5 Назначение операторского терминала
- •10.3.6 Драйвер косвенного терминала
- •10.3.7 Вход в систему
- •10.4 Потоки
- •10.4.1 Более детальное рассмотрение потоков
- •10.4.2 Анализ потоков
- •10.5 Выводы
- •10.6 Упражнения
- •Глава 11. Взаимодействие процессов
- •11.1 Трассировка процессов
- •11.2 Взаимодействие процессов в версии V системы
- •11.2.1 Сообщения
- •11.2.2 Разделение памяти
- •11.2.3 Семафоры
- •11.2.4 Общие замечания
- •11.3 Взаимодействие в сети
- •11.4 Гнезда
- •11.5 Выводы
- •11.6 Упражнения
- •Глава 12. Многопроцессорные системы
- •12.1 Проблемы, связанные с многопроцессорными системами
- •12.2 Главный и подчиненный процессоры
- •12.3 Семафоры
- •12.3.1 Определение семафоров
- •12.3.2 Реализация семафоров
- •12.3.3 Примеры алгоритмов
- •12.3.3.1 Выделение буфера
- •12.3.3.2 Wait
- •12.3.3.3 Драйверы
- •12.3.3.4 Фиктивные процессы
- •12.4 Система tunis
- •12.5 Узкие места в функционировании многопроцессорных систем
- •12.6 Упражнения
- •Глава 13. Распределенные системы
- •13.1 Периферийные процессоры
- •13.2 Связь типа newcastlе
- •13.3 "Прозрачные" распределенные файловые системы
- •13.4 Распределенная модель без передаточных процессов
- •13.5 Выводы
- •13.6 Упражнения
- •Приложение системные операции
- •Библиография
10.1.2.3 Read и Writе
Алгоритмы чтения и записи ядром на устройстве похожи на аналогичные алгоритмы для файлов обычного типа. Если процесс производит чтение или запись на устройстве посимвольного ввода-вывода, ядро запускает процедуры read или write, определяемые типом драйвера. Несмотря на часто встречающиеся ситуации, когда ядро осуществляет передачу данных непосредственно между адресным пространством задачи и устройством, драйверы устройств могут буферизовать информацию внутри себя. Например, терминальные драйверы для буферизации данных используют символьные списки (раздел 10.3.1). В таких случаях драйвер устройства выделяет "буфер", копирует данные из пространства задачи при выполнении процедуры write и выводит их из "буфера" на устройство. Процедура записи, управляемая драйвером, регулирует объем выводимой информации (т. н. управление потоком данных): если процессы генерируют информацию быстрее, чем устройство выводит ее, процедура записи приостанавливает выполнение процессов до тех пор, пока устройство не будет готово принять следующую порцию данных. При чтении драйвер устройства помещает данные, полученные от устройства, в буфер и копирует их из буфера в пользовательские адреса, указанные в вызове системной функции.
Рисунок 10.5. Отображение в памяти ввода-вывода с использованием контроллера VAX DZ11
Конкретный метод взаимодействия драйвера с устройством определяется особенностями аппаратуры. Некоторые из машин обеспечивают отображение ввода-вывода в памяти, подразумевающее, что конкретные адреса в адресном пространстве ядра являются не номерами ячеек в физической памяти, а специальными регистрами, контролирующими соответствующие устройства. Записывая в указанные регистры управляющие параметры в соответствии со спецификациями аппаратных средств, драйвер осуществляет управление устройством. Например, контроллер ввода-вывода для машины VAX-11 содержит специальные регистры для записи информации о состоянии устройства (регистры контроля и состояния) и для передачи данных (буферные регистры), которые формируются по специальным адресам в физической памяти. В частности, терминальный контроллер VAX DZ11 управляет 8 асинхронными линиями терминальной связи (см. [Levy 80], где более подробно объясняется архитектура машин VAX). Пусть регистр контроля и состояния (CSR) для конкретного терминала DZ11 имеет адрес 160120, передающий буферный регистр (TDB) — адрес 120126, а принимающий буферный регистр (RDB) — адрес 160122 (Рисунок 10.5). Для того, чтобы передать символ на терминал "/dev/tty09", драйвер терминала записывает единицу (1 = 9 по модулю 8) в указанный двоичный разряд регистра контроля и состояния и затем записывает символ в передающий буферный регистр. Запись в передающий буферный регистр является передачей данных. Контроллер DZ11 выставляет бит "выполнено" в регистре контроля и состояния, когда готов принять следующую порцию данных. Дополнительно драйвер может выставить бит "возможно прерывание передачи" в регистре контроля и состояния, что заставляет контроллер DZ11 прерывать работу системы, когда он готов принять следующую порцию данных. Чтение данных из DZ11 производится аналогично.
На других машинах имеется программируемый ввод-вывод, подразумевающий, что в машине имеются инструкции по управлению устройствами. Драйверы управляют устройствами, выполняя соответствующие инструкции. Например, в машине IBM 370 имеется инструкция "Start I/O" (Начать ввод-вывод), которая инициирует операцию ввода-вывода, связанную с устройством. Способ связи драйвера с периферийными устройствами незаметен для пользователя.
Поскольку интерфейс между драйверами устройств и соответствующими аппаратными средствами является машинно-зависимым, на этом уровне не существует стандартных интерфейсов. Как в случае вводавывода с отображением в памяти, так и в случае программируемого ввода-вывода драйвер может посылать на устройство управляющие последовательности с целью установления режима прямого доступа в память (ПДП) для устройства. Система позволяет осуществлять массовую передачу данных между устройством и памятью в режиме ПДП параллельно с работой центрального процессора, при этом устройство прерывает работу системы по завершении передачи данных. Драйвер организует управление виртуальной памятью таким образом, чтобы ячейки памяти с их действительными номерами использовались для ПДП.
Быстродействующие устройства могут иногда передавать данные непосредственно в адресное пространство задачи, без вмешательства буфера ядра. В результате повышается скорость передачи данных, поскольку при этом производится на одну операцию копирования меньше, и, кроме того, объем данных, передаваемых за одну операцию, не ограничивается размером буферов ядра. Драйверы, осуществляющие такую передачу данных без "обработки", обычно используют блочный интерфейс для процедур посимвольного чтения и записи, если у них имеется двойник блочного типа.