
- •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
-
Установление связей.
-
Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
Среди достоинств рассматриваемой файловой системы стоит отметить, что данная система является иерархичной. Также надо отметить, что за счет использования системного кэширования оптимизирована работа с массивом свободных блоков и свободных индексных дескрипторов. И, наконец, в данной файловой системе найдено удачное решение организации блоков файлов за счет использования «нарастающей» косвенности адресации.
С другой стороны, данная система не лишена недостатков, большая часть которых следует из ее достоинств. Первым недостатком является тот факт, что в суперблоке концентрируется ключевая информация файловой системы. Соответственно, потеря суперблока приводит к достаточно серьезным проблемам.
Следующая проблема опять-таки связана с концентрацией информации в суперблоке. Несмотря на то, что суперблок резидентно размещается в ОП, система периодически «сбрасывает» его копию на диск — это делается для того, чтобы при сбое минимизировать потери актуальной информации из суперблока. Это, в свою очередь, означает, что система регулярно обращается к одной и той же точке дискового пространства, и, соответственно, вероятность выхода из строя именно данной области диска со временем сильно увеличивается.
Следующий недостаток связан с фрагментацией блоков файла по диску. Здесь имеется в виду, что при интенсивной работе файловой системы (когда в ней со временем создается, модифицируется и уничтожается достаточно большое число файлов) складывается ситуация, когда блоки одного файла оказываются разбросанными по всему доступному дисковому пространству. В этом случае, если потребуется прочитать последовательные блоки файла (что бывает достаточно часто), то головка жесткого диска начинает совершать довольно много механических передвижений, что отрицательно сказывается на эффективности работы файловой системы.
И в заключение отметим такой недостаток, как ограничение, накладываемое на длину имени файла (6, 8, 14 байт для представления имени — величины достаточно небольшие на сегодняшний день: возникают ситуации, когда необходимо создать имена с относительно длинными именами).
-
Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (ffs) bsd
Разработчики файловой системы Fast File System (FFS), оставив основные положительные характеристики предыдущих файловых систем (в т.ч. и файловой системы версии System V), пошли по следующему пути (Рис. 116.). Они представили раздел как последовательность дисковых цилиндров, которую разбили на порции фиксированного размера. В каждом из образовавшихся кластеров размещается копия суперблока, блоки файлов, которые мы назвали рабочим пространством файловой системы, информация об индексных дескрипторах, ассоциированных с данным кластером, а также информация о свободных ресурсах этого кластера. При этом разбиение устройства на кластеры происходит аппаратно-зависимо таким образом, чтобы суперблоки не оказывались на «опасно близком» расстоянии (например, на одной поверхности). Такой подход обеспечивает большую надежность файловой системы.