- •Раздел 1. Архитектура операционных систем Тема 1. Принципы построения операционных систем
- •1.1. Понятие об архитектуре аппаратных средств
- •1.1.1. Вводные замечания
- •1.1.2. Классификация программных средств
- •1.1.3. Место и функции системного программного обеспечения
- •1.2. Принципы работы вычислительной системы
- •1.3. Режимы работы операционных систем
- •1.3.1. Режимы обработки данных
- •1.3.1.1. Однопрограммные режимы обработки данных
- •1.3.1.2. Многопрограммные режимы обработки данных
- •1.3.2. Режимы и дисциплины обслуживания
- •1.3.2.1. Режимы обслуживания
- •1.3.3.2. Дисциплины обслуживания
- •1.4. Классификация операционных систем
- •1.4.1. Особенности алгоритмов управления ресурсами
- •1.4.1.1. Поддержка многозадачности
- •1.4.1.2. Поддержка многонитевости
- •1.4.2. Особенности аппаратных платформ
- •1.4.3. Особенности областей использования
- •1.4.4. Особенности методов построения
- •1.5. Основные принципы построения операционных систем
- •1.6. Пользовательский интерфейс операционных систем
- •1.6.1. Классификация интерфейсов
- •1.6.2. Пакетная технология.
- •1.6.3. Технология командной строки.
- •1.6.4. Графический интерфейс
- •1.6.4.1. Простой графический интерфейс.
- •1.6.4.2. Wimp-интерфейс
- •1.6.5. Речевая технология
- •1.6.6. Биометрическая технология)
- •1.6.7. Семантический интерфейс.
- •Контрольные вопросы к теме 1
- •Тема 2. Концептуальные основы операционных систем
- •2.1. Концепция процесса
- •2.2. Концепция ресурса
- •2.3. Концепция виртуальности
- •2.4. Концепция прерывания
- •2.5. Понятие ядра и микроядра ос
- •2.5.1. Понятие ядра ос
- •2.5.2. Понятие микроядра ос
- •Контрольные вопросы к теме 2
- •Тема 3. Понятие управления задачами
- •3.1. Организация управления задачами
- •3.2. Средства и механизмы управления задачами
- •3.2.1. Средства управления задачами на уровне внешнего планирования
- •3.2.2. Средства управления задачами на уровне внутреннего планирования
- •3.3. Алгоритмы управления задачами
- •3.3.1. Алгоритмы управления задачами на уровне внешнего планирования
- •3.3.2. Алгоритмы управления задачами на уровне внутреннего планирования
- •3.3.2.1. Мультизадачность, процессы и нити Мультизадачность
- •Процессы
- •Контекст и дескриптор процесса
- •3.3.2.2. Состав алгоритмов внутреннего планирования
- •3.3.2.3. Алгоритм управления количеством процессов в рабочей смеси
- •3.3.2.4. Алгоритмы выбора очередности обработки
- •3.3.2.5. Алгоритмы выбора величины кванта
- •3.4. Взаимосвязанные и конкурирующие задачи
- •3.4.1. Средства управления ресурсами
- •3.4.2. Механизмы синхронизации процессов
- •3.4.2.1. Параллельные процессы и критические участки
- •3.4.2.2. Примитивы взаимоисключения
- •3.4.2.3. Программная реализация примитивов взаимоисключения
- •3.4.2.4. Реализация примитивов взаимоисключения с использованием аппаратных средств
- •3.4.2.5. Семафоры
- •3.4.2.6. Мониторы
- •3.4.3. Алгоритмы управления ресурсами
- •3.4.3.1. Вводные замечания
- •3.4.3.2. Алгоритм предоставления ресурса по первому обращению
- •3.4.3.3. Алгоритмы предотвращения тупиков
- •3.4.3.3.1. Стратегии предотвращения тупиков
- •3.4.3.3.2. Алгоритм предварительного распределения ресурсов
- •3.4.3.3.3. Алгоритм распределения ресурсов с освобождением при отказе
- •3.4.3.3.3. Алгоритм распределения с линейным упорядочением по типам ресурсов
- •3.4.3.3. Алгоритмы обхода тупиков
- •Контрольные вопросы к теме 3
- •Тема 4. Управление памятью в операционных системах
- •4.1. Понятие об организации и управлении физической памятью
- •4.2. Методы связного распределения основной памяти (без использования дискового пространства)
- •4.2.1. Связное распределение памяти для одного пользователя
- •4.2.2. Связное распределение памяти при мультипрограммной обработке
- •4.2.3. Стратегии размещения информации в памяти
- •4.3. Организация виртуальной памяти (с использованием дискового пространства)
- •4.3.1. Основные концепции виртуальной памяти
- •4.3.2. Схема прямого отображения адресов
- •4.3.3. Отображения адресов при страничной организации виртуальной памяти
- •4.3.4. Отображения адресов при сегментной организации виртуальной памяти
- •4.3.4. Отображения адресов при странично-сегментной организации виртуальной памяти
- •4.4. Управление виртуальной памятью
- •4.4.1. Стратегии управления виртуальной памятью
- •4.4.2. Стратегии вталкивания (подкачки)
- •4.4.3. Стратегии размещения
- •4.4.4. Стратегии выталкивания
- •Контрольные вопросы к теме 4
- •Тема 5. Управление файлами и вводом-выводом в ос
- •5.1.Методы организации данных в операционных системах
- •5.2. Методы доступа к данным
- •5.3. Объединение записей в блоки и буферизация
- •5.4. Управление файлами
- •5.4.1. Понятие файлового способа хранения данных и файловой системы
- •5.4.2. Организация файлов
- •5.4.3. Организация хранения файлов
- •5.4.4. Операции над файлами
- •5.4.5. Файловая система
- •5.4.5.1. Общая модель файловой системы
- •5.4.5.2. Современные архитектуры файловых систем
- •5.5. Система ввода-вывода
- •5.5.1. Общие положения
- •5.5.2. Физическая организация устройств ввода-вывода
- •5.5.3. Организация программного обеспечения ввода-вывода
- •5.5.3.1. Уровни организации программного обеспечения ввода-вывода
- •5.5.3.2. Обработка прерываний
- •5.5.3.3. Драйверы устройств
- •5.5.3.4. Независимый от устройств слой операционной системы
- •5.5.3.5. Пользовательский слой программного обеспечения
- •Контрольные вопросы к теме 5
3.3.2.2. Состав алгоритмов внутреннего планирования
Важнейшим фактором, влияющим на эффективность вычислительных систем, являются потери времени на организацию мультизадачного режима, поэтому в состав алгоритмов внутреннего планирования входят:
алгоритм управления количеством процессов в рабочей смеси;
алгоритм планирования очередности выбора задач для исполнения их на ЦП;
алгоритмы выбора величины кванта времени, в течение которого процесс, получивший ЦП, может использовать его.
Особой функцией, возлагаемой на внутреннее планирование, является синхронизация параллельных процессов, протекающих в системе.
3.3.2.3. Алгоритм управления количеством процессов в рабочей смеси
Управление служит для повышения производительности системы на основе рационального использования аппаратуры ЭВМ. Для режима вытесняющей мультизадачности количество процессов, одновременно допускаемых в систему, представляет собой объем рабочей смеси N. Выбор значения N осуществляется с учетом величины кванта и длительности цикла. Введем следующие обозначения: qi – величина кванта процессорного времени, отводимого i-му процессу; Ti – длительность одного цикла обработки для i-го процесса; Tзi, Tвi – длительность перемещения i-го процесса из ОЗУ в ВЗУ и обратно при его вытеснении и восстановлении; Tci – затраты времени ОС на организацию работы i-го процесса.
Тогда имеем:
Тцi = Тзi + Tвi + qi + Tci.
Если Tзi=Tвi=Tп; Tci=Tc; qi=q, i=1,...,N,
то
T = (2Tп+q+Tc)N; N=T/(2Tп+q+Tc ). (3.1)
Нетрудно рассчитать также эффективность загрузки центрального процессора на одном цикле для одного процесса: полезное время процессора qi; непроизводительные затраты времени Тнi = Тзi + Tпi + Tci; показатель загрузки процессора полезной работой
(3.2)
Для всех N процессов получим:
(3.3)
где Tн/Q – относительная величина потерь времени на переключение между процессами.
Увеличение количества задач, одновременно решаемых системой, связанное с увеличением значения N (выражение (3.1)), можно осуществить четырьмя методами: увеличением общей длительности интервала цикла Т; уменьшением затрат времени ОС на организацию мультипрограммирования Тс; уменьшением затрат времени на перемещение процессов из ОЗУ в ВЗУ и обратно при их вытеснении и восстановлении Тз и Тв; сокращением длительности квантов времени, отводимых для выполнения процессов q.
Сокращение длительности квантов времени qi, отводимых для выполнения процессов, автоматически вызывает увеличение длительности нахождения процессов в системе (см. выражение (3.3.)), из-за чего этот способ имеет ограниченное применение.
Наиболее продуктивным являются методы, приводящие к сокращению затрат времени операционной системы Тс и, в особенности, затрат времени на перемещение процессов из ОЗУ в ВЗУ и обратно при их вытеснении и восстановлении.
Уменьшение значения Тс достигается путем создания эффективных системных программ, имеющих наименьшую длину программного кода и наивысшую скорость выполнения своих функций.
В современных вычислительных системах применяются все перечисленные способы увеличения эффективности обработки задач.
3.3.2.4. Алгоритмы выбора очередности обработки
Планирование очередности обработки осуществляется на основе очереди процессов, находящихся в состоянии готовности. Все эти процессы в мультипрограммных системах конкурируют между собой прежде всего из-за времени центрального процессора. В течение кванта времени, выделенного процессу, возможно наступление одного или нескольких событий: выполнение процесса завершено; процесс перешел в состояние ожидания; центральный процессор потребовался для обслуживания процесса с более высоким приоритетом; завершился выделенный процессу квант времени; произошла ошибка в системе.
Решение о порядке выбора процессов из очереди осуществляется в соответствии с реализованными в ОС алгоритмами планирования очередности обработки. В настоящее время наиболее известными являются:
алгоритм циклической обработки;
алгоритм очередей с обратной связью;
алгоритм выбора по характеру использования предыдущего кванта;
алгоритм выбора с приоритетом по характеру блокировки.
Практически все алгоритмы планирования очередности обработки имеют эвристический характер. Сигналом к началу работы этих алгоритмов служит указанные выше события, наступившие в системе:
если предшествующий процесс закончился, то выполняются действия по его выводу из системы:
если предшествующий процесс перешел в состояние ожидания, то он перемещается в очередь блокированных процессов;
если предшествующий процесс прерван операционной системой из-за того, что ЦП потребовался для обслуживания другого процесса с более высоким приоритетом, то прерванный процесс помещается в очередь прерванных процессов;
если предшествующий процесс исчерпал выделенный ему квант времени, то он поступает в очередь готовых процессов;
если алгоритм планирования активизирован из-за какого-либо другого события, то выполняются действия согласно реакции на ошибочную ситуацию, возникшую в системе.
Логика работы всех алгоритмов планирования очередности обработки практически совпадает. Различаются они лишь реализациями блоков “Выбор длины кванта” и “Выбор очередного процесса”.
Рассмотрим алгоритмы реализации блока “выбор очередного процесса”.
Алгоритм циклической обработки процессов не использует никакой информации о приоритетах обрабатываемых процессов. Все процесс, находящиеся в очереди, упорядочиваются по времени их поступления. Стоящий первым в очереди процесс получает квант времени q центрального процессора. Существует много разновидностей алгоритмов циклической обработки, которые называют также алгоритмами круговорота процессов, например, круговорот со смещением и эгоистический круговорот.
Алгоритм очередей с обратной связью организует некоторое количество М очередей, каждая из которых обслуживается в порядке поступления. Новый процесс, поступивший в систему, попадает в очередь № 1. После окончания использования очередного кванта времени процесс переходит из очереди с номером m в очередь с номером m+1.
Алгоритм выбора по характеру использования предыдущего кванта различает два типа состояния готовности процессов: низкоприоритетная и высокоприоритетная готовность.
Если процесс полностью использовал предыдущий выделенный квант времени ЦП, то ему присваивается состояние “Низкоприоритетная готовность”. Если процесс использовал не весь выделенный квант времени ЦП из-за перехода в состояние ожидание по вводу-выводу, то ему присваивается состояние “Высокоприоритетная готовность”. На обслуживание сначала выбираются процессы, находящиеся в состоянии высокоприоритетной готовности, а затем, если их нет, процессы, находящиеся в состоянии “Низкоприоритетная готовность”.