- •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
4.2.3. Стратегии размещения информации в памяти
Стратегии размещения информации в памяти предназначены для того, чтобы определить, в какое место основной памяти следует помещать поступающие программы и данные при распределении памяти неперемещаемыми разделами. Наиболее часто применяются следующие стратегии:
размещение с выбором первого подходящего (стратегия “первый подходящий”):
размещение с выбором наиболее подходящего (стратегия “самый подходящий”);
алгоритм с выбором наименее подходящего (стратегия “самый неподходящий”).
Стратегия “первый подходящий” состоит в выполнении следующих шагов:
упорядочить таблицу свободных областей в порядке возрастания адресов;
поместить информацию в первый встретившийся участок основной памяти размером не менее требуемого.
Стратегия “самый подходящий” реализует следующую последовательность действий:
упорядочить таблицу свободных областей в порядке возрастания размеров свободных областей:
поместить информацию в первый встретившийся участок свободной памяти размером не менее требуемого.
Стратегия “самый неподходящий” выполняет следующие действия:
упорядочить таблицу свободных областей в порядке убывания размеров областей;
поместить информацию в первый встретившийся участок свободной памяти размером не менее требуемого.
Строгих доказательств преимуществ той или иной стратегии перед остальными не существует, так что их применение в операционных системах основано на интуитивных аргументах разработчиков ОС.
4.3. Организация виртуальной памяти (с использованием дискового пространства)
4.3.1. Основные концепции виртуальной памяти
Термин виртуальная память обычно ассоциируется с возможностью адресовать пространство памяти, гораздо большее, чем емкость первичной (реальной, физической) памяти конкретной вычислительной машины. Концепция виртуальной памяти впервые была реализована в машине, созданной в 1960 г. в Манчестерском университете (Англия). Однако широкое распространение системы виртуальной памяти получили лишь в ЭВМ четвертого и последующих поколений.
Существует два наиболее известных способа реализации виртуальной памяти – страничная и сегментная. Применяется также их комбинация – странично-сегментная организация виртуальной памяти.
Все системы виртуальной памяти характеризуются тем, что адреса, формируемые выполняемыми программами, не обязательно совпадают с адресами первичной памяти. Виртуальные адреса, как правило, представляют гораздо большее множество адресов, чем имеется в первичной памяти.
Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной памяти.
Адреса, на которые делает ссылки выполняющийся процесс, называются виртуальными адресами. Адреса, которые реально существуют в первичной памяти, называются реальными (физическими) адресами.
Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться выполняющийся процесс, называется пространством виртуальных адресов V этого процесса. Диапазон реальных адресов, существующих в конкретной вычислительной машине, называется пространством реальных адресов R этой ЭВМ.
Несмотря на то, что процессы обращаются только к виртуальным адресам, в действительности они должны работать с реальной памятью. Для установления соответствия между виртуальными и реальными адресами разработаны механизмы динамического преобразования адресов ДПА (или DAT – от англ.Dynamics Adress Transformation), обеспечивающие преобразование виртуальных адресов в реальные во время выполнения процесса. Все подобные системы обладают общим свойством – смежные адреса виртуального адресного пространства процесса не обязательно будут смежными в реальной памяти. Это свойство называют “искусственной смежностью”. Тем самым пользователь освобождается от необходимости рассматривать физическую память с ее уникальными характеристиками.
Виртуальная память строится, как правило, по двухуровневой схеме.
Первый уровень – это реальная память, в которой находятся выполняемые процессы и в которой должны размещаться данные, к которым обращаются эти процессы.
Второй уровень – это внешняя память большой емкости, например, накопители на магнитных дисках, способные хранить программы и данные, которые не могут все сразу уместиться в реальной памяти из-за ограниченности ее объема. Память второго уровня называют вторичной или внешней.
Механизм динамического преобразования адресов ведет учет того, какие ячейки виртуальной памяти в данный момент находятся в реальной памяти и где именно они размещаются. Это осуществляется с помощью таблиц отображения, ведущихся механизмом ДПА.
Информация, перемещаемая из виртуальной памяти в реальную, механизмом ДПА группируется в блоки, и система следит за тем, в каких местах реальной памяти размещаются различные блоки виртуальной памяти. Размер блока влияет на то, какую долю реальной памяти ДПА будет использовать непроизводительно, для своих целей.
Если блоки имеют одинаковый размер, то они называются страницами, а соответствующая организация виртуальной памяти называется страничной. Если блоки могут быть различных размеров, то они называются сегментами, а соответствующая организация виртуальной памяти называется сегментной. В некоторых системах оба подхода комбинируются, т.е. сегменты реализуются как объекты переменных размеров, формируемые из страниц фиксированного размера. Такая организация виртуальной памяти называется либо сегментно-страничной, либо странично-сегментной.