
- •Содержание
- •1 Введение 5
- •2 Управление процессами 87
- •3 Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix 114
- •4 Файловые системы 152
- •4.1 Основные концепции 152
- •5 Управление оперативной памятью 181
- •6 Управление внешними устройствами 196
- •Введение
- •Пакетная обработка заданий.
- •Развитие языков и систем программирования.
- •Этапы эволюции.
- •Основы архитектуры вычислительной системы
- •Структура вс
- •Структура вычислительной системы.
- •Аппаратный уровень вс
- •Управление физическими ресурсами вс
- •Пример зависимости от драйвера.
- •Управление логическими/виртуальными ресурсами
- •Системы программирования
- •Этапы проектирования.
- •Кодирование.
- •Тестирование.
- •Каскадная модель.
- •Каскадная итерационная модель.
- •Спиральная модель.
- •Прикладные системы
- •Первый этап развития прикладных систем.
- •Второй этап развития прикладных систем.
- •Третий этап развития прикладных систем.
- •Пакет программ Microsoft Office.
- •Пакет MathCad.
- •Система BaaN.
- •Выводы, литература
- •Структура организации вычислительной системы.
- •Основы компьютерной архитектуры
- •Структура, основные компоненты
- •Структура компьютера фон Неймана.
- •Базовая архитектура современных компьютеров.
- •Оперативное запоминающее устройство
- •Ячейка памяти.
- •Контроль четности.
- •Озу без расслоения памяти — один контроллер на все банки.
- •Озу с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.
- •Центральный процессор
- •Структура организации центрального процессора.
- •Регистровая память
- •Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
- •Общая схема работы кэШа.
- •Аппарат прерываний
- •Использование иерархической модели регистров прерывания.
- •Использование вектора прерываний.
- •Этап программной обработки прерываний.
- •Внешние устройства
- •Внешние устройства.
- •Внешние запоминающие устройства
- •Магнитная лента.
- •Принцип устройства магнитного диска.
- •Принцип устройства магнитного барабана.
- •Принцип устройства памяти на магнитных доменах.
- •Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
- •Синхронная и асинхронная работа с ву.
- •Потоки данных. Организация управления внешними устройствами
- •Непосредственное управление центральным процессором внешнего устройства.
- •Синхронное/асинхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.
- •Использование контроллера прямого доступа к памяти (dma) или процессора (канала) ввода-вывода при обмене.
- •Иерархия памяти
- •Иерархия памяти.
- •Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
- •Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
- •Мультипрограммный режим.
- •Проблемы, возникающие при исполнении программ
- •Вложенные обращения к подпрограммам.
- •Перемещаемость программы по озу.
- •Фрагментация памяти.
- •Регистровые окна
- •Регистровые окна.
- •Регистровые окна. Вход и выход из подпрограммы.
- •Системный стек
- •Системный стек.
- •Виртуальная память
- •Страничная организация памяти.
- •Страничная организация памяти. Преобразование виртуального адреса в физический.
- •Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.
- •Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
- •Классификация мкмд.
- •Numa-система.
- •Терминальные комплексы (тк)
- •Терминальные комплексы.
- •Компьютерные сети
- •Компьютерные сети.
- •Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель iso/osi
- •Модель организации взаимодействия в сети iso/osi.
- •Логическое взаимодействие сетевых устройств по I-ому протоколу.
- •Семейство протоколов tcp/ip. Соответствие модели iso/osi
- •Семейство протоколов tcp/ip.
- •Взаимодействие между уровнями протоколов tcp/ip.
- •Система адресации протокола ip.
- •Маршрутизация дейтаграмм.
- •Основы архитектуры операционных систем
- •Структура ос
- •Структурная организация ос.
- •Структура ос с монолитным ядром.
- •Структура ос с микроядерной архитектурой.
- •Логические функции ос
- •Типы операционных систем
- •Структура сетевой ос.
- •Структура распределенной ос.
- •Управление процессами
- •Основные концепции
- •Модели операционных систем
- •Типы процессов
- •Типы процессов: однонитевая (а) и многонитевая (б) организации.
- •Контекст процесса
- •Реализация процессов в ос Unix
- •Процесс ос Unix
- •Разделение сегмента кода.
- •Базовые средства управления процессами в ос Unix
- •Пример использования системного вызова fork().
- •Пример использования системного вызова execl().
- •Пример использования схемы fork-exec.
- •Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
- •Жизненный цикл процессов.
- •Формирование процессов 0 и 1
- •Формирование нулевого и первого процессов.
- •Инициализация системы.
- •Планирование
- •Взаимодействие процессов
- •Разделяемые ресурсы и синхронизация доступа к ним
- •Гонка процессов.
- •Пример тупиковой ситуации (deadlock).
- •Способы организации взаимного исключения
- •Пример двоичного семафора.
- •Классические задачи синхронизации процессов
- •Обещающие философы.
- •Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix
- •Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ос Unix
- •Способы организации взаимодействия процессов.
- •Сигналы
- •Неименованные каналы
- •Именованные каналы
- •Модель межпроцессного взаимодействия «главный–подчиненный»
- •Общая схема трассировки процессов.
- •Система межпроцессного взаимодействия ipc (Inter-Process Communication)
- •Очередь сообщений ipc
- •Очередь сообщений ipc.
- •0666 Определяет права доступа */
- •Разделяемая память ipc
- •Массив семафоров ipc
- •Int val; /* значение одного семафора */
- •Сокеты — унифицированный интерфейс программирования распределенных систем
- •Файловые системы
- •Основные концепции
- •Структурная организация файлов
- •Атрибуты файлов
- •Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
- •Модель одноуровневой файловой системы.
- •Модель двухуровневой файловой системы.
- •Модель иерархической файловой системы.
- •Подходы в практической реализации файловой системы
- •Структура «системного» диска.
- •Модели реализации файлов
- •Модель непрерывных файлов.
- •Модель файлов, имеющих организацию связанного списка.
- •Модели реализации каталогов
- •Модели организации каталогов.
- •Соответствие имени файла и его содержимого
- •Пример жесткой связи.
- •Пример символической связи.
- •Координация использования пространства внешней памяти
- •Квотирование пространства файловой системы
- •Квотирование пространства файловой системы.
- •Надежность файловой системы
- •Проверка целостности файловой системы
- •Проверка целостности файловой системы. Непротиворечивость файловой системы соблюдена.
- •Проверка целостности файловой системы. Зафиксирована пропажа блока.
- •Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование свободного блока.
- •Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование занятого блока.
- •Проверка целостности файловой системы. Контроль жестких связей.
- •Примеры реализаций файловых систем
- •Организация файловой системы ос Unix. Виды файлов. Права доступа
- •Логическая структура каталогов
- •Логическая структура каталогов.
- •Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V
- •Структура файловой системы версии System V.
- •Работа с массивами номеров свободных блоков
- •Работа с массивами номеров свободных блоков.
- •Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
- •Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
- •Индексные дескрипторы.
- •Адресация блоков файла.
- •Файл-каталог
- •Файл-каталог.
- •Установление связей.
- •Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
- •Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (ffs) bsd
- •Структура файловой системы версии ffs bsd.
- •Стратегии размещения
- •Стратегия размещения последовательных блоков файлов.
- •Внутренняя организация блоков
- •Внутренняя организация блоков (блоки выровнены по кратности).
- •Выделение пространства для файла
- •Выделение пространства для файла.
- •Структура каталога ffs
- •Структура каталога ffs bsd.
- •Блокировка доступа к содержимому файла
- •Управление оперативной памятью
- •Одиночное непрерывное распределение
- •Одиночное непрерывное распределение.
- •Распределение неперемещаемыми разделами
- •Распределение неперемещаемыми разделами.
- •Распределение перемещаемыми разделами
- •Распределение перемещаемыми разделами.
- •Страничное распределение
- •Страничное распределение.
- •Иерархическая организация таблицы страниц.
- •Использование хеш-таблиц.
- •Инвертированные таблицы страниц.
- •Замещение страниц. Алгоритм «Часы».
- •Сегментное распределение
- •Сегментное распределение.
- •Сегментно-страничное распределение
- •Сегментно-страничное распределение. Упрощенная модель Intel.
- •Управление внешними устройствами
- •Общие концепции
- •Архитектура организации управления внешними устройствами
- •Модели управления внешними устройствами: непосредственное (а), синхронное/асинхронное (б), с использованием контроллера прямого доступа или процессора (канала) ввода-вывода.
- •Программное управление внешними устройствами
- •Иерархия архитектуры программного управления внешними устройствами.
- •Планирование дисковых обменов
- •Планирование дисковых обменов. Модель fifo.
- •Планирование дисковых обменов. Модель lifo.
- •Планирование дисковых обменов. Модель sstf.
- •Планирование дисковых обменов. Модель scan.
- •Планирование дисковых обменов. Модель c-scan.
- •Raid-системы. Уровни raid
- •Raid 2. Избыточность с кодами Хэмминга (Hamming, исправляет одинарные и выявляет двойные ошибки).
- •Raid 3. Четность с чередующимися битами.
- •Raid 5. Распределенная четность (циклическое распределение четности).
- •Работа с внешними устройствами в ос Unix
- •Файлы устройств, драйверы
- •Системные таблицы драйверов устройств
- •Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
- •Включение, удаление драйверов из системы
- •Организация обмена данными с файлами
- •Организация обмена данными с файлами.
- •Буферизация при блок-ориентированном обмене
- •Борьба со сбоями
0666 Определяет права доступа */
msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
/* запускаем вечный цикл */
for(;;)
{
gets(str); /* читаем из стандартного ввода строку */
/* и копируем ее в буфер сообщения */
strcpy(Message.Data, str);
/* анализируем первый символ прочитанной строки */
switch(str[0])
{
case 'a':
case 'A':
/* устанавливаем тип 1 для ПРОЦЕССА A*/
Message.mtype = 1;
/* посылаем сообщение в очередь */
msgsnd(msgid, (struct msgbuf*) (&Message),
strlen(str)+1, 0);
break;
case 'b':
case 'B':
/* устанавливаем тип 2 для ПРОЦЕССА A*/
Message.mtype = 2;
msgsnd(msgid, (struct msgbuf*) (&Message),
strlen(str)+1, 0);
break;
case 'q':
case 'Q':
Message.mtype = 1;
msgsnd(msgid, (struct msgbuf*) (&Message),
strlen(str)+1, 0);
Message.mtype = 2;
msgsnd(msgid, (struct msgbuf*) (&Message),
strlen(str)+1, 0);
/* ждем получения сообщений
процессами А и В */
sleep(10);2
/* уничтожаем очередь */
msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);
exit(0);
default:
/* игнорируем остальные случаи */
break;
}
}
}
/* ПРИНИМАЮЩИЙ ПРОЦЕСС A (процесс B будет аналогичным) */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/message.h>
#include <stdio.h>
struct
{
long mtype; /* тип сообщения */
char Data[256]; /* сообщение */
} Message;
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key;
int msgid;
/* получаем ключ по тем же параметрам */
key = ftok("/usr/mash",'s');
/*подключаемся к очереди сообщений */
msgid = msgget(key, 0666);
/* запускаем вечный цикл */
for(;;)
{
/* читаем сообщение с типом 1 для ПРОЦЕССА A */
msgrcv(msgid, (struct msgbuf*) (&Message), 256, 1, 0);3
printf("%s", Message.Data);
if(Message.Data[0] == 'q' || Message.Data[0] == 'Q')
break;
}
return 0;
}
Пример. Очередь сообщений. Модель «клиент-сервер». В приведенном ниже примере имеется совокупность взаимодействующих процессов. Эта модель несимметричная: один из процессов назначается сервером, и его задачей становится обслуживание запросов остальных процессов-клиентов. В данном примере сервер принимает запросы от клиентов в виде сообщений (из очереди сообщений) с типом 1. Тело сообщения-запроса содержит идентификатор клиентского процесса, который выслал данный запрос. Для каждого запроса сервер генерирует ответ, которое также посылает через очередь сообщений, но посылаемое сообщение будет иметь тип, равный идентификатору процесса-адресата. В свою очередь, клиентский процесс будет брать из очереди сообщений сообщения с типом, равным его идентификатору.
/* СЕРВЕР */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char **argv)
{
struct
{
long mestype;
char mes[100];
} messageto;
struct
{
long mestype;
long mes;
} messagefrom;
key_t key;
int mesid;
key = ftok("example", 'r');
mesid = msgget (key, 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL );
while(1)
{
msgrcv(mesid, &messagefrom, sizeof(messagefrom) –
sizeof(long), 1, 0);
messageto.mestype = messagefrom.mes;
strcpy(messageto.mes, "Message for client");
msgsnd (mesid, &messageto, sizeof(messageto) –
sizeof(long),0);
}
}
/* КЛИЕНТ */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int main(int argc, char **argv)
{
struct
{
long mestype;
long mes;
} messageto;
struct
{
long mestype;
char mes[100];
} messagefrom;
key_t key;
int mesid;
long pid = getpid();
key = ftok("example", 'r');
mesid = msgget (key, 0666);
messageto.mestype = 1;
messageto.mes = pid;
msgsnd(mesid, &messageto, sizeof(messageto) –
sizeof(long),0);
msgrcv(mesid,&messagefrom, sizeof(messagefrom) –
sizeof(long),pid,0);
printf("%s", messagefrom.mes);
return 0;
}
В серверном процессе декларируются две структуры для принимаемого (meassagefrom) и посылаемого (messageto) сообщений, а также ключ key и дескриптор очереди сообщений mesid. Затем сервер предпринимает традиционные действия: получает ключ, а по нему — дескриптор очереди сообщений. Затем он входит в бесконечный цикл, в котором и обрабатывает клиентские запросы. Каждая итерация цикла выглядит следующим образом. Из очереди выбирается сообщение с типом 1 (это сообщения с запросами от клиентов). Из тела этого сообщения считывается информация об идентификаторе клиента, и этот идентификатор сразу заносится в поле типа посылаемого сообщения. Затем сервер генерирует тело посылаемого сообщения, после чего отправляет созданное сообщение в очередь. На этом итерация цикла завершается.
Клиентский процесс имеет аналогичные декларации (за исключением того, что теперь посылаемое и принимаемое сообщения поменялись ролями). Далее клиент получает свой идентификатор процесса, записывает его в тело сообщения запроса, которому устанавливает тип 1. После этого отправляет запрос в очередь, принимает из очереди ответ (сообщение с типом, равным его собственному идентификатору процесса) и завершается.