Практикум по дисциплине «Операционные системы». Автоматизированный практикум

рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти);

изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).

В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных бытовых процессорах. В то же время во встраиваемых системах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени – ОС РВ), виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложные иерархии памяти.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОС ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПАМЯТЬЮ

Оперативная память (RAM – Random Access Memory), ОП –

запоминающее устройство с произвольной выборкой. Синонимы: оперативное запоминающее устройство, ОЗУ. При выключении компьютера данные, хранящиеся в ОЗУ, утрачиваются. Как правило, чем больше объем установленной в компьютере оперативной памяти, тем быстрее работают программы.

Файл подкачки (pagefile.sys) – файл на жестком диске, который имеет атрибуты Скрытый, Системный, используемый Windows для хранения частей программ и файлов данных, не помещающихся в оперативной памяти. По мере необходимости Windows перемещает данные из файла подкачки в оперативную память (для их использования программами) и обратно (для освобождения места для новых данных). По умолчанию Windows хранит файл подкачки в загрузочном разделе (раздел, в котором установлены операционная система и вспомогательные файлы). По умолчанию размер файла подкачки должен быть в 1,5 раза больше общего объема ОЗУ. Однако эта конфигурация по умолчанию не всегда является оптимальной, поэтому требуется настройка файла подкачки для выполнения функций оптимизации и восстановления операционной системы. Синонимы: своп-файл, свопинг-файл, файл виртуальной памяти.

Свопинг (swapping) – подкачка в оперативную память недостающей страницы виртуальной памяти, затребованной программой.

Виртуальная память – представляет собой совокупность оперативной памяти и файла подкачки.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАМЯТИ С ПОМОЩЬЮ ДИСПЕТЧЕРА ЗАДАЧ

Для исследования памяти в ОС семейства Microsoft Windows может быть использована утилита Диспетчер задач. Она позволяет просматривать общее использование памяти на вкладках Быстродействие и Процессы.

Вкладка Быстродействие отображает информацию в трех разделах:

Выделение памяти, Физическая память и Память ядра.

31

Раздел Выделение памяти содержит три статистических параметра виртуальной памяти: общий объем виртуальной памяти, используемый ОС и ее приложениями; объем доступной виртуальной памяти; наибольший объем памяти, использованный в течение сессии с момента последней загрузки.

Раздел Физическая память содержит параметры, несущие информацию о текущем состоянии физической памяти машины: объем памяти, определенный ОС на компьютере; память, доступную для использования процессами; объем, доступный для кэш-памяти системы.

Раздел Память ядра содержит информацию о потребностях компонентов ОС, обладающих наивысшим приоритетом: Объем виртуальной памяти, необходимой ОС; общий объем памяти, использованной системой за счет файла подкачки; объем физической памяти, потребляемой ОС. Эти параметры относятся лишь к привилегированным службам, а не ко всей ОС.

Вкладка Процессы показывает список исполняемых процессов и занимаемую ими память: физическую, пиковую (максимальное использование памяти) и виртуальную.

ПРОГРАММА СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ

Другим вариантом исследования памяти в ОС Windows является использование служебной программы Сведения о системе:

Пуск - Все программы – Стандартные – Служебные - Сведения о системе.

Здесь можно получить информацию об основных характеристиках организации памяти в компьютере. Сюда входит информация о конфигурации оборудования, компонентах компьютера, а также программном обеспечении. Это корневой узел в дереве программных категорий. Здесь можно узнать название операционной системы, ее версию, изготовителя, тип процессора и объем памяти. С помощью корневого узла можно:

определить каталог, в котором установлена операционная система;

убедиться в том, что новая память установлена правильно (параметры

Total Physical Memory и Available Physical Memory);

проверить параметр Page File Space при наличии неполадок в работе памяти. Значение этого параметра соответствует размеру физического пространства на жестком диске, используемого операционной системой для увеличения виртуального размера ОЗУ;

проверить состояние активизации продукта. Если операционная система активизирована, в области сведений отсутствуют какие-либо дополнительные данные.

32

РАБОТА С ФАЙЛОМ ПОДКАЧКИ

Обычно ОС Windows сама устанавливает оптимальный объем виртуальной памяти и ее хватает для большинства задач, но если на компьютере выполняются приложения, требующие много памяти, то объем виртуальной памяти можно увеличить. Для настройки и ускорения работы файла подкачки в ОС Windows используется процедура:

Пуск – Настройка – Панель управления – Система – Дополнительно – Быстродействие – Параметры – Дополнительно – Изменить.

Основное правило для определения размера файла подкачки заключается в том, что при небольшом объеме оперативной памяти (менее 512 Мбайт) файл подкачки должен быть достаточно большим. При большом объеме файл подкачки можно уменьшить.

Предлагается устанавливать исходный размер файла подкачки, равным размеру физической памяти компьютера, а максимальный размер – не более двух размеров физической памяти. После этого следует нажать кнопку Задать и убедиться в том, что новое значение файла подкачки установлено, затем выполняется щелчок по кнопке ОК. В результате ОС Windows выведет на экран сообщение о том, что данное изменение требует перезагрузки компьютера, после чего следует закрыть все окна и перезагрузить компьютер.

Следует отметить, что при первом создании файла подкачки жесткий диск, как правило, не готов к его размещению, что обусловлено фрагментацией жесткого диска. Поэтому вначале нужно выполнить дефрагментацию диска и лишь затем создать файл подкачки. Рекомендуется следующая последовательность действий:

если в компьютере имеется единственный жесткий диск, устанавливается минимальный размер файла подкачки (2 Мбайта);

если имеются два жестких диска, файл подкачки перемещается на более медленный диск;

проводится дефрагментация диска (во втором случае – более быстрого), для полной дефрагментации нужно выполнить несколько проходов;

файлу подкачки задается желаемый размер.

В результате этих действий работа с файлом подкачки станет максимально быстрой, а процессорная мощность и дисковое пространство будут использоваться наиболее эффективно.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1.Используя программу Диспетчер задач, определите объем установленной физической памяти, объем виртуальной памяти, величину файла подкачки и его размещение в компьютере.

2.Используя программу Сведения о системе, получите информацию об основных характеристиках организации памяти на вашем компьютере.

33

3.Определите объем оперативной памяти компьютера и рекомендуемый объем файла подкачки.

4.Переместите файл подкачки и установите его желаемое значение.

5.Оцените эффект, полученный в результате изменения объема и размещения файла подкачки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие средства используются в ОС Microsoft Windows для исследования физической и виртуальной памяти?

2.Механизмы работы с памятью в Windows.

3.Опишите функции программы Сведения о системе.

4.Что такое файл подкачки, как он создается и изменяется?

5.Как выполняется оптимизация виртуальной памяти?

34

Тема № 6

УПРАВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВАМИ В ОС

Теоретическая часть:

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА И ИХ КОМПОНЕНТЫ; ПРЕРЫВАНИЯ В ОС; ДИСПЕТЧЕР УСТРОЙСТВ.

Практическая часть:

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ; КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА И ИХ КОМПОНЕНТЫ

Управление внешними устройствами - это одна из важнейших функций любой операционной системы. Система должна обеспечивать эффективный и удобный доступ к периферийным устройствам, а также обладать возможностью унифицированной разработки программного обеспечения для вновь подключаемых внешних устройств. Она должна также обеспечить простой и действенный интерфейс между устройствами и остальной частью ОС. Интерфейс, по возможности, должен быть одинаковым для всех устройств (для достижения независимости от применяемого оборудования). Программное обеспечение ввода-вывода составляет существенную часть ОС.

Внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Механический компонент представляет собственно устройство, а электронный компонент называется контроллером или адаптером.

Контроллер – техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами путем получения информации в виде цифровых данных или сигнала от внешнего устройства. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами.

Операционная система обычно имеет дело не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых компьютерах эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких компьютерах нет специальных операций ввода-вывода. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить

35

результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из контроллера.

Для анализа работы ОС по управлению устройствами ввода-вывода можно использовать различные программы, к которым относятся, например, Bootvits, Drivers, Сведения о системе. Последняя программа позволяет отобразить данные общего характера о компьютере и его операционной системе. Здесь можно узнать название операционной системы, ее версию, изготовителя и местоположение системного каталога. Кроме того, можно сверить версию BIOS или EFI, тип процессора и объем памяти, определить различные параметры системы и ее компонентов.

BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода-вывода,

реализованная в виде микропрограмм часть системного программного обеспечения, которая предназначается для предоставления ОС доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам.

EFI (Extensible Firmware Interface) — интерфейс между ОС и микропрограммами, управляющими низкоуровневыми функциями оборудования. Основное предназначение этого интерфейса: корректно инициализировать оборудование при включении системы и передать управление загрузчику операционной системы. В настоящее время EFI предназначен для замены BIOS — интерфейса, который традиционно используется всеми IBM PC-совместимыми персональными компьютерами.

Напомним, что для открытия служебной программы Сведения о системе используется цепочка:

Пуск-Все программы – Стандартные – Служебные - Сведения о системе.

Программа Сведения о системе выводит основные сведения о компьютере: имя и версия ОС, установленный процессор, версия BIOS, объем физической, виртуальной памяти и файла подкачки. Она содержит следующие категории:

Ресурсы аппаратуры - выводит информацию об аппаратных настройках: канал DMA, прерывания(IRQ), ввод-вывод(I/O), память.

Компоненты - детальная информация об устройствах: CD-ROM, видео- аудио-устройства, сетевая карта, клавиатура, мышь, принтер.

Программная среда – установленные программы, системные драйверы, запущенные службы и т.д.

Параметры обозревателя - сведения о браузере.

В категории «Ресурсы аппаратуры» сведений о системе находится элемент «Канал DMA». В нем отображаются данные о каналах прямого доступа к памяти (direct memory access, DMA), имеющихся в системе. Каналы DMA используются для обмена данными между оперативной памятью и устройствами, минуя центральный процессор, в результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно. В области сведений в столбце Ресурс выводится номер канала DMA, используемого устройством, указанным в столбце Устройство. В столбце Состояние выводится состояние устройства.

36

Также в категории «Ресурсы аппаратуры» сведений о системе находится элемент «Прерывания (IRQ)». В нем отображаются данные о линиях IRQ (interrupt request — запрос прерывания), имеющихся в системе, и устройствах, использующих эти линии. Пользователь может задействовать только некоторые линии IRQ. Остальные линии запроса прерываний зарезервированы за стандартными устройствами.

ПРЕРЫВАНИЯ В ОС

Прерывания - это базовый механизм реакции системы на возникающие события. Аппаратные прерывания - это физические сигналы, с помощью которых контроллер устройства информирует процессор о необходимости обработать некоторый запрос. Условно схема обработки прерывания выглядит следующим образом:

процессор получает сигнал прерывания и его номер; по специальной таблице отыскивается адрес программы обработки

прерывания с данным номером - обработчика прерывания; процессор приостанавливает текущую работу и переключается на

выполнение обработчика (в общем случае это некоторый драйвер); драйвер получает доступ к устройству и проверяет причину

возникновения прерывания; запускаются запрошенные действия - конфигурирование устройства,

инициализация, обмен данными и др.

драйвер завершает работу, процессор уходит к прерванной задаче. Очевидно, что для корректной работы механизма прерываний необходимо

выполнение двух условий: 1)сигнал запроса должен доходить до процессора, и 2)драйвер-обработчик должен правильно реагировать на этот сигнал.

В случае конфликта не соблюдается второе условие: сигнал прерывания приходит, но реакция на него оказывается неправильной, в результате чего мы имеем (в лучшем случае) неработоспособное устройство.

Можно сказать, что конфликт - это ситуация, при которой несколько объектов одновременно пытаются получить доступ к ресурсу, который предназначен только для одного из них. Возникает вопрос: могут ли несколько устройств использовать одну и ту же линию прерывания, или это в принципе невозможно? Ведь если драйвер сможет определить, от кого именно пришел запрос, то он будет реагировать на сигналы только "своего" устройства, игнорируя все остальные. Но это должно быть каким-либо образом заранее оговорено, иначе конфликт неизбежен.

Локальная шина PCI была спроектирована с учетом совместного использования прерываний. Каждое устройство PCI должно корректно работать на одной линии прерывания с другими PCI-устройствами. Это сделано следующим образом: факт наличия сигнала на линии прерывания определяется не по фронту, т.е. изменению уровня напряжения, а по самому факту наличия

37

определенного напряжения. Изменять напряжение в линии может сразу несколько устройств, становясь как бы в очередь на обслуживание. Таким образом, совместное использование одного IRQ несколькими PCI-устройствами не является конфликтом по определению.

ДИСПЕТЧЕР УСТРОЙСТВ

При наличии какого-либо конфликта, обусловленного совместным использованием линии IRQ, например, если мышь не отвечает, для обнаружения и устранения неполадки обычно используется Диспетчер устройств.

Для управления устройствами операционная система использует специальные программы – драйверы.

Драйвер — компьютерная программа, с помощью которой другие программы (чаще всего ОС) получают доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как видеокарта или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, предоставляемые производителем устройства.

ОС управляет некоторым «виртуальным устройством», которое понимает стандартный набор команд. Драйвер переводит эти команды в команды, которые понимает непосредственно устройство. Эта идеология называется «абстрагирование от аппаратного обеспечения».

Основные конфигурационные параметры, влияющие на работу Windows, можно изменить в одном окне, которое называется Свойства системы. Для того чтобы открыть это окно, щелкните на кнопке Пуск, щелкните правой кнопкой мыши на значке Мой компьютер и выберите команду Свойства. Другой вариант: Пуск – Панель управления – Система. При этом откроется окно Свойства системы. В этом окне на вкладке Оборудование находится кнопка Диспетчер устройств.

В окне Диспетчера устройств можно, раскрывая соответствующие узлы, видеть устройства, которые либо подключены к компьютеру и работают, либо отключены. Этот узел используется для проверки состояния оборудования, установленного на компьютере, и настройки каждого из устройств, подключения и отключения устройств. Он также используется для обновления драйверов (или программного обеспечения) устройств, изменения настроек оборудования и для устранения неполадок.

Диспетчер устройств будет полезен при настройке устройств вручную. Неправильное изменение параметров ресурсов может привести к отключению устройства или явиться причиной неправильной работы компьютера. Их следует изменять только при полной уверенности в том, что новые параметры не будут конфликтовать с другим оборудованием, или в том случае, если изготовитель данного устройства предлагает для него конкретные параметры.

38

Обнаружить устройства с неполадками можно, раскрыв папку Компоненты и

выбрав строку Устройства с неполадками.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1.С помощью программы Сведения о системе установите, существуют ли конфликты в ресурсах аппаратуры.

2.Используя Сведения о системе, в общем виде рассмотрите различные параметры системы: номера строк запросов на прерывание (IRQ); каналы прямого доступа к памяти (DMA); адреса портов ввода-вывода (I/O); диапазоны адресов памяти.

3.Используя Сведения о системе, определите основные параметры ряда компонентов системы, таких как клавиатура, мышь, дисплей, CD-ROM; диски

идр.

4.Используя узел Диспетчер устройств, определите, какие системные ресурсы используются портами COM и LPT.

5.С помощью Диспетчера устройств определите характеристики драйверов компонентов, рассмотренных ранее.

6.Представьте отчет о работе в виде записи полученных данных и ответов на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключаются задачи операционной системы по управлению устройствами ввода-вывода?

2.Что позволяет найти программа Сведения о системе?

3.Что такое прерывания?

4.Для чего используется Диспетчер устройств?

5.Объясните назначение аббревиатур DMA и IRQ.

6.Какие устройства используют DMA?

7.Объясните, почему несколько устройств используют один и тот же номер IRQ. Как ОС их различает?

39

ЛИТЕРАТУРА

1.Гордеев А.В. Операционные системы: Учеб. для вузов. – СПб: Питер,

2004. – 415 с.

2.Журавлева Т.Ю. Операционные системы. Руководство по изучению учебной дисциплины. М.: МГОУ, 2012. – 24 с.

3.Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение: Учебник для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 396 с.

4.Назаров С.В. Операционные системы. Практикум: учебное пособие / С.В.Назаров, Л.П.Гудыно, а.А.Кириченко. – М.: КНОРУС, 2012.- 336 с. – (Для бакалавров).

5.Назаров С.В. Современные операционные системы: учеб.пособие. Москва: Интернет-университет информ. технологий, 2010.–279 с.

6.Сафонов В.О. Основы современных операционных систем. – Москва: ИНТУИТ:БИНОМ. Лаб. знаний, 2011. – 583 с.

7.Таненбаум Э. Современные операционные системы. – 3-е изд. –

Москва [и др.]: Питер, 2010 . – 1115 с.

8.Автоматизированный лабораторный практикум по информатике: освоение работы в MS WINDOWS XP/ Горбунова Т.Н. – Электронный учебник.

М.: МГОУ, 2011.

40