ОС_Методические указания

Составитель: канд. физ.-мат. наук. Н.Н.Саримов Операционные системы: Метод. указ. к лаб. работам / Казан. матем. общ-во; Сост.

Н.Н.Саримов. Казань, 2000.

В пяти лабораторных работах рассмотрены базовые понятия и алгоритмы, связанные с организацией и функционированием операционных систем. В конце каждой работы предложены задания для самостоятельной работы, которые могут быть использованы на лабораторных занятиях.

Методические указания предназначены для лабораторного обеспечения курса «Операционные системы» по специальности 220200 - «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Подготовлены на кафедре автоматизации технологических процессов и производств Нижнекамского химико-технологического института.

Печатаются по решению методической комиссии Нижнекамского химикотехнологического института.

Рецензенты: проф. И.З.Батыршин, доц Е.М.Федотов

ВВЕДЕНИЕ

Информационно-вычислительная система (ИВС) является мощным инструментом для решения сложных инженерных, научно-технических задач, задач управления технологическими процессами, а также задач, связанных с хранением и обработкой больших потоков информации. В частности, ИВС должна предоставлять услуги по разработке, отладке и эксплуатации программ.

Программы, выполняемые на компьютере для решения вышеперечисленных задач, можно разделить на два класса:

прикладные;

системные.

Всвою очередь, в системных программах можно условно выделить два уровня:

средства и услуги (компиляторы, загрузчики, редакторы, служебные программы);

операционная система (ОС).

Среди функций ОС можно отметить следующие основные функции:

последовательное или параллельное выполнение программ;

управление информацией (структурирование, обеспечение сохранности, использование имен, ввод-вывод);

контроль и распределение ресурсов (выделение оперативной памяти, внешней памяти, устройств ввода-вывода, распределение и обмен информацией между пользователями и т.д.).

Другими словами, ОС предназначена для выполнения всей рутинной работы по управле-

нию аппаратурными и программными средствами ИВС.

Материал, излагаемый в данной работе, не привязан к какой-либо конкретной ОС. Данное пособие предназначено для изучения концептуальных принципов, базовых понятий и алгоритмов, связанных с организацией и функционированием широкого класса современных ОС. В то же время рассматриваемые приемы и методы могут быть применены как при разработке специализированных прикладных программ, так и при решении задач общего характера.

Каждый раздел данного пособия представляет собой отдельную лабораторную работу, содержащую задания для самостоятельной работы. О результатах выполнения заданий студенты должны представить отчет. Отчет по каждой лабораторной работе должен быть оформлен в письменном виде и иметь следующую структуру:

1.номер и тема лабораторной работы;

2.для каждого задания:

2.1.номер задания и постановка задачи;

2.2.подробное описание метода (алгоритма) решения задачи;

2.3.внешние спецификации разработанных для данной задачи процедур и функций;

2.4.исходные тексты процедур и функций;

3.дополнительно в том случае, если алгоритмы реализуются на компьютере:

3.1.исходные тексты процедур и функций в виде файлов;

-3 -

Вызов процедуры и возврат из процедуры

Пусть процедура P ( вызывающая ) вызывает выполнение процедуры Q ( вызываемой ). Вызов осуществляется с помощью последовательности действий, которая включает следующие этапы:

подготовка параметров, передаваемых из P в Q;

сохранение части контекста P до возврата из процедуры;

замена контекста P на контекст Q.

Для возврата схема симметрична, но с потерей контекста Q:

подготовка результатов, возвращаемых из Q в P;

восстановление контекста P, сохраняемого при вызове.

Функционирование сопрограмм

В случае управления сопрограммами вызывающая и вызываемая процедуры играют симметричные роли.

Пусть P и Q - сопрограммы, имеющие вид:

Здесь инструкция restart сохраняет контекст вызывающей процедуры, восстанавливает последний контекст вызываемой процедуры и продолжает ее выполнение с прерванной точки. Если процедура вызывается первый раз, то производится инициализация ее контекста какимилибо начальными значениями.

Допустим, в данном примере выполнение начинается с сопрограммы P. Первая инструкция restart Q производит первый вызов сопрограммы Q, где вызывается процедура q1. В процедуре q1 выполняется инструкция restart P, которая прерывает работу сопрограммы Q, восстанавливает контекст сопрограммы P и продолжает ее работу с точки 1. Пока все действия были аналогичны вызову процедуры и возврату из нее, за исключением того, что здесь контекст сопрограммы Q при возврате в P не теряется, а сохраняется. Далее, вторая инструкция restart Q восстанавливает контекст процедуры q1 и продолжает ее работу с точки 2.

1.2.МЕХАНИЗМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВЫЗОВА ПРОЦЕДУР

Вкачестве используемой структуры данных применяется стек выполнения. Возможны разные варианты стека, отличающиеся в основном деталями спецификаций контекста и его изменениями при вызове процедуры и возврате из нее. Общим у них является принцип LIFO (Last In First Out - последним вошел, первым вышел) организации хранения данных и доступа к ним.

Впростейшем случае стек состоит из сплошного участка памяти для хранения данных и указателя вершины (УВ), указывающего на начало свободного участка в стеке (рис. 1.1):

-6 -

Свободно

Занято

УВ

Рис. 1.1. Простейший стек

При размещении данных в стеке, они располагаются в свободной части стека начиная от указателя вершины, а указатель вершины затем перемещается вправо на размер введенных данных. При извлечении данных, они считываются последовательно слева от указателя вершины, и указатель вершины передвигается влево на размер извлеченных данных. Очевидно, что при такой организации стека можно работать только с данными фиксированной длины.

В более общем случае, кроме указателя вершины, вводится указатель базы (УБ), указывающий начало последней порции введенных данных (рис. 1.2):

Свободно

Занято Занято

УБ УВ

Рис. 1.2. Стек с указателем базы

Схема выполнения может быть запрограммирована непосредственно (например, на языке ассемблера) или представлена выполняемой структурой, определяемой некоторым языком программирования. В последнем случае контекст задается совокупностью доступных переменных с учетом правил языка, определяющих оформление идентификаторов.

Опишем одну из наиболее простых организаций, приблизительно соответствующую схеме выполнения, принятой в языке C. Рассматриваемая модель основывается на двух гипотезах:

параметры процедуры передаются по значению, при возврате передается последний результат;

процедуры могут вызываться рекурсивно (явно или неявно).

Ввершине стека выполнения при каждом вызове процедуры создается специальная структура данных, называемая областью среды (или просто средой) процедуры. При возврате из процедуры она уничтожается. Таким образом, процедура, вызываемая рекурсивно, имеет в стеке столько сред, сколько неоконченных выполнений этой процедуры насчитывается к данному моменту.

Пусть выполняется процедура P, которая вызывает процедуру Q, тогда содержимое стека выполнения до и после вызова будет таким, как представлено на рис. 1.3.

Свободно

(выполняется P до вызова Q)

Рис. 1.3. Стек выполнения

Среда содержит следующую информацию:

сведения об участках хранения и связях, относящихся к возврату (указатель базы контекста вызывающей процедуры, адрес возврата и местоположение результата);

фактические параметры (n+1 ячеек, в первой из которых содержится число n, а в последующих

-значения n параметров;

локальные переменные и рабочее пространство процедуры.

-7 -