Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Факультет вычислительной математики и кибернетики
Учебно-исследовательская лаборатория «Математические и программные технологии для современных
компьютерных систем (Информационные технологии)»
Линев А.В., Свистунов А.Н.
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Нижний Новгород
2004
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Оглавление |
|
Введение ........................................................................................................................... |
6 |
Требования к содержанию лекций............................................................................................... |
6 |
Организация лабораторного практикума .................................................................................... |
7 |
Программа лабораторного практикума ....................................................................................... |
7 |
Литература...................................................................................................................................... |
8 |
Обзор теоретических положений, необходимых для выполнения практикума 10 |
|
Основные понятия и определения.............................................................................................. |
10 |
Распределение ресурса «центральный процессор» .................................................................. |
11 |
Управление памятью................................................................................................................... |
40 |
Взаимодействие потоков – передача данных и синхронизация.............................................. |
62 |
Архитектура файловой системы................................................................................................. |
86 |
Лабораторная работа 1. Краткосрочное планирование задач .............................. |
95 |
Симулятор многозадачной системы........................................................................................... |
95 |
Архитектура планировщика в Linux (Ядро 2.4.18)................................................................. |
102 |
Компиляция и установка ядра Linux........................................................................................ |
108 |
Литература по лабораторной работе 1..................................................................................... |
109 |
Лабораторная работа 2. Замещение областей памяти ......................................... |
110 |
Симулятор многозадачной системы......................................................................................... |
110 |
Управление памятью в Linux (ядро 2.4.18) ............................................................................. |
111 |
Литература по лабораторной работе 2..................................................................................... |
131 |
Лабораторные работы 3-4. Синхронизация процессов/потоков. Передача |
|
данных между процессами/потоками ...................................................................... |
132 |
Механизмы межпроцессного взаимодействия ОС UNIX ...................................................... |
133 |
Механизмы межпроцессного взаимодействия ОС Windows................................................. |
138 |
Литература по лабораторным работам 3-4.............................................................................. |
144 |
Лабораторная работа 5. Файловые системы ......................................................... |
145 |
Предлагаемые к реализации файловые системы.................................................................... |
145 |
Симулятор работы с файловой системой................................................................................ |
149 |
Обзор архитектуры модуля поддержки файловой системы в Linux..................................... |
152 |
Литература по лабораторной работе 5..................................................................................... |
158 |
Литература.................................................................................................................... |
159 |
Дополнительная литература ..................................................................................................... |
159 |
2 Учебно-исследовательская лаборатория «Информационные технологии»
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Содержание |
|
Введение ........................................................................................................................... |
6 |
Требования к содержанию лекций............................................................................................... |
6 |
Организация лабораторного практикума .................................................................................... |
7 |
Программа лабораторного практикума ....................................................................................... |
7 |
Лабораторная работа 1. Краткосрочное планирование задач................................................ |
7 |
Лабораторная работа 2. Замещение областей памяти............................................................ |
8 |
Лабораторная работа 3. Синхронизация процессов/потоков ................................................ |
8 |
Лабораторная работа 4. Передача данных между процессами/потоками............................ |
8 |
Лабораторная работа 5. Файловые системы............................................................................ |
8 |
Литература...................................................................................................................................... |
8 |
Обзор теоретических положений, необходимых для выполнения практикума 10 |
|
Основные понятия и определения.............................................................................................. |
10 |
Распределение ресурса «центральный процессор» .................................................................. |
11 |
Процесс и поток – типы ресурсов операционной системы.................................................. |
11 |
Классификация ОС по признаку поддержки процессов и потоков.................................... |
12 |
Состояния потока..................................................................................................................... |
15 |
Дескрипторы процессов и потоков........................................................................................ |
17 |
Операции над процессами....................................................................................................... |
19 |
Операции над потоками .......................................................................................................... |
22 |
Планирование........................................................................................................................... |
23 |
Критерии оценки алгоритмов планирования........................................................................ |
26 |
Алгоритмы планирования в системах пакетной обработки данных .................................. |
27 |
Алгоритмы планирования в интерактивных системах ........................................................ |
29 |
Заключение............................................................................................................................... |
39 |
Управление памятью................................................................................................................... |
40 |
Архитектура оперативной памяти.......................................................................................... |
40 |
Алгоритм формирования физического адреса и логическая структура адресного |
|
пространства............................................................................................................................. |
44 |
Способ описания физической памяти.................................................................................... |
47 |
Виртуальное адресное пространство прикладной программы (ВАП) и способ его |
|
отображения на физическую память...................................................................................... |
47 |
Алгоритм связывания адресов программных модулей с адресами ВАП........................... |
52 |
Алгоритм обеспечения пространственного мультиплексирования.................................... |
52 |
Заключение............................................................................................................................... |
61 |
Учебно-исследовательская лаборатория «Информационные технологии» 3
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Взаимодействие потоков – передача данных и синхронизация.............................................. |
62 |
Взаимодействие потоков......................................................................................................... |
62 |
Критическая секция................................................................................................................. |
64 |
Задача взаимного исключения................................................................................................ |
64 |
Семафоры.................................................................................................................................. |
67 |
Тупики....................................................................................................................................... |
70 |
Синхронизирующие объекты ОС........................................................................................... |
73 |
Сигналы..................................................................................................................................... |
75 |
Обмен сообщениями (message passing) (Хоар, 1978 год)..................................................... |
76 |
Реализация взаимоисключений.............................................................................................. |
76 |
Аппаратная поддержка взаимоисключений.......................................................................... |
78 |
Классические задачи взаимодействия потоков..................................................................... |
79 |
Передача данных между взаимодействующими потоками................................................. |
84 |
Архитектура файловой системы................................................................................................. |
86 |
Файлы с точки зрения пользователя...................................................................................... |
86 |
Виртуальная Файловая Система............................................................................................. |
91 |
Лабораторная работа 1. Краткосрочное планирование задач .............................. |
95 |
Симулятор многозадачной системы........................................................................................... |
95 |
Модель эксперимента.............................................................................................................. |
95 |
Архитектура программной лаборатории............................................................................... |
99 |
Проведение эксперимента..................................................................................................... |
101 |
Выполнение лабораторной работы...................................................................................... |
101 |
Архитектура планировщика в Linux (Ядро 2.4.18)................................................................. |
102 |
Очередь процессов................................................................................................................. |
103 |
Кванты времени центрального процессора......................................................................... |
104 |
Выбор процесса на исполнение............................................................................................ |
105 |
Вычисление эффективного приоритета и размера кванта................................................. |
106 |
Вытеснение процесса............................................................................................................. |
107 |
Изменение алгоритма планирования................................................................................... |
107 |
Компиляция и установка ядра Linux........................................................................................ |
108 |
Литература по лабораторной работе 1..................................................................................... |
109 |
Лабораторная работа 2. Замещение областей памяти ......................................... |
110 |
Симулятор многозадачной системы......................................................................................... |
110 |
Управление памятью в Linux (ядро 2.4.18) ............................................................................. |
111 |
Описание физической памяти в Linux ................................................................................. |
111 |
Адресное пространство процесса......................................................................................... |
117 |
Страничные сбои.................................................................................................................... |
123 |
4 Учебно-исследовательская лаборатория «Информационные технологии»
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Кэш страниц ........................................................................................................................... |
126 |
Изменение стратегии замещения ......................................................................................... |
130 |
Литература по лабораторной работе 2..................................................................................... |
131 |
Лабораторные работы 3-4. Синхронизация процессов/потоков. Передача |
|
данных между процессами/потоками ...................................................................... |
132 |
Механизмы межпроцессного взаимодействия ОС UNIX ...................................................... |
133 |
Семафоры................................................................................................................................ |
134 |
Очереди сообщений............................................................................................................... |
136 |
Работа с разделяемой памятью............................................................................................. |
137 |
Механизмы межпроцессного взаимодействия ОС Windows................................................. |
138 |
Wait-функции ......................................................................................................................... |
138 |
События .................................................................................................................................. |
140 |
Ожидаемые таймеры.............................................................................................................. |
141 |
Семафоры................................................................................................................................ |
141 |
Мьютексы............................................................................................................................... |
142 |
Литература по лабораторным работам 3-4.............................................................................. |
144 |
Лабораторная работа 5. Файловые системы ......................................................... |
145 |
Предлагаемые к реализации файловые системы.................................................................... |
145 |
Файловая система 1................................................................................................................ |
145 |
Файловая система 2................................................................................................................ |
147 |
Файловая система 3................................................................................................................ |
147 |
Симулятор работы с файловой системой................................................................................ |
149 |
Постановка задачи................................................................................................................. |
149 |
Требования к лабораторной работе...................................................................................... |
150 |
Архитектура программной лаборатории............................................................................. |
151 |
Обзор архитектуры модуля поддержки файловой системы в Linux..................................... |
152 |
Модули драйвера файловой системы Minix........................................................................ |
153 |
Реализация драйвера файловой системы............................................................................. |
157 |
Литература по лабораторной работе 5..................................................................................... |
158 |
Литература.................................................................................................................... |
159 |
Дополнительная литература ..................................................................................................... |
159 |
Учебно-исследовательская лаборатория «Информационные технологии» 5
Лабораторный практикум по курсу "Операционные системы"
Введение
Современный уровень развития информационных технологий характеризуется наличием большого числа операционных систем, решающих самые разнообразные задачи и обладающих различными специфическими свойствами. Тем не менее, многолетний опыт использования различных ОС позволяет выделить типичные составляющие операционной системы и определить ряд моделей, лежащих в основе их функционирования. Изучение данных моделей и типовых архитектур современных ОС является совершенно необходимой составляющей подготовки высококвалифицированных специалистов в области системного программирования и администрирования, и позволяет прикладному программисту эффективно использовать возможности ОС.
Необходимо отметить постоянно увеличивающуюся сложность современного программного обеспечения и связанную с этим тенденцию использования алгоритмов, изначально разработанных для применения в системном программном обеспечении, при проектировании прикладного ПО. А также обратный процесс - привитие некоторых возможностей прикладного ПО операционным системам.
Данная работа описывает лабораторный практикума для курса "Принципы построения современных ОС", основное предназначение практикума - получение слушателями практических навыков реализации некоторых моделей и алгоритмов, рассматриваемых в курсе лекций, и осуществление ими оценки собственных разработок с учетом положений, изучаемых в теоретической части курса.
Требования к содержанию лекций
Курс по операционным системам читается во множестве учебных заведений, и информация о содержании и методической постановке курсов зачастую доступна через Internet. Однако в большом числе случаев данный курс читается без лабораторного практикума. Еще существует небольшая часть курсов, сопровождаемых практическими занятиями пользовательского уровня (например, обучение профессиональным навыкам работы в конкретной операционной системе). В остальных случаях лабораторный практикум непосредственно связан с разделами лекционного курса.
Мы будем считать, что курс лекций содержит, по крайней мере, следующие разделы.
1.Недетализованные модели объектов аппаратного уровня.
2.Управление ресурсом "память".
3.Управление ресурсом "центральный процессор".
4.Процессы и потоки, операционная среда.
5.Синхронизация выполнения процессов/потоков.
6.Обмен данными между процессами/потоками.
7.Архитектура ввода/вывода.
8.Долгосрочное хранение данных.
6 Учебно-исследовательская лаборатория «Информационные технологии»