
- •Содержание
- •1 Введение 5
- •2 Управление процессами 88
- •3 Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix 116
- •4 Файловые системы 156
- •4.1 Основные концепции 156
- •5 Управление оперативной памятью 187
- •6 Управление внешними устройствами 202
- •1Введение
- •Пакетная обработка заданий.
- •Развитие языков и систем программирования.
- •Этапы эволюции.
- •1.1Основы архитектуры вычислительной системы
- •1.1.1Структура вс
- •Структура вычислительной системы.
- •1.1.2Аппаратный уровень вс
- •1.1.3Управление физическими ресурсами вс
- •Пример зависимости от драйвера.
- •1.1.4Управление логическими/виртуальными ресурсами
- •1.1.5Системы программирования
- •Этапы проектирования.
- •Кодирование.
- •Тестирование.
- •Каскадная модель.
- •Каскадная итерационная модель.
- •Спиральная модель.
- •1.1.6Прикладные системы
- •Первый этап развития прикладных систем.
- •Второй этап развития прикладных систем.
- •Третий этап развития прикладных систем.
- •Пакет программ Microsoft Office.
- •Пакет MathCad.
- •Система BaaN.
- •1.1.7Выводы, литература
- •Структура организации вычислительной системы.
- •1.2Основы компьютерной архитектуры
- •1.2.1Структура, основные компоненты
- •Структура компьютера фон Неймана.
- •Базовая архитектура современных компьютеров.
- •1.2.2Оперативное запоминающее устройство
- •Ячейка памяти.
- •Контроль четности.
- •Озу без расслоения памяти — один контроллер на все банки.
- •Озу с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.
- •1.2.3Центральный процессор
- •Структура организации центрального процессора.
- •1.2.3.1Регистровая память
- •1.2.3.2Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
- •1.2.3.3Кэш-память
- •Общая схема работы кэШа.
- •1.2.3.4Аппарат прерываний
- •Использование иерархической модели регистров прерывания.
- •Использование вектора прерываний.
- •Этап программной обработки прерываний.
- •1.2.4Внешние устройства
- •Внешние устройства.
- •1.2.4.1Внешние запоминающие устройства
- •Магнитная лента.
- •Принцип устройства магнитного диска.
- •Принцип устройства магнитного барабана.
- •Принцип устройства памяти на магнитных доменах.
- •1.2.4.2Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
- •Синхронная и асинхронная работа с ву.
- •1.2.4.3Потоки 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.
- •1.2.5Иерархия памяти
- •Иерархия памяти.
- •1.2.6Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
- •1.2.6.1Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
- •Мультипрограммный режим.
- •1.2.6.2Проблемы, возникающие при исполнении программ
- •Вложенные обращения к подпрограммам.
- •Перемещаемость программы по озу.
- •Фрагментация памяти.
- •1.2.6.3Регистровые окна
- •Регистровые окна.
- •Регистровые окна. Вход и выход из подпрограммы.
- •1.2.6.4Системный стек
- •Системный стек.
- •1.2.6.5Виртуальная память
- •Страничная организация памяти.
- •Страничная организация памяти. Преобразование виртуального адреса в физический.
- •Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.
- •1.2.7Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
- •Классификация мкмд.
- •Numa-система.
- •1.2.8Терминальные комплексы (тк)
- •Терминальные комплексы.
- •1.2.9Компьютерные сети
- •Компьютерные сети.
- •1.2.10Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель iso/osi
- •Модель организации взаимодействия в сети iso/osi.
- •Логическое взаимодействие сетевых устройств по I-ому протоколу.
- •1.2.11Семейство протоколов tcp/ip. Соответствие модели iso/osi
- •Семейство протоколов tcp/ip.
- •Взаимодействие между уровнями протоколов tcp/ip.
- •Система адресации протокола ip.
- •Маршрутизация дейтаграмм.
- •1.3Основы архитектуры операционных систем
- •1.3.1Структура ос
- •Структурная организация ос.
- •Структура ос с монолитным ядром.
- •Структура ос с микроядерной архитектурой.
- •1.3.2Логические функции ос
- •1.3.3Типы операционных систем
- •Структура сетевой ос.
- •Структура распределенной ос.
- •2Управление процессами
- •2.1Основные концепции
- •2.1.1Модели операционных систем
- •2.1.2Типы процессов
- •Типы процессов: однонитевая (а) и многонитевая (б) организации.
- •2.1.3Контекст процесса
- •2.2Реализация процессов в ос Unix
- •2.2.1Процесс ос Unix
- •Разделение сегмента кода.
- •2.2.2Базовые средства управления процессами в ос Unix
- •Пример использования системного вызова fork().
- •Пример использования системного вызова execl().
- •Пример использования схемы fork-exec.
- •2.2.3Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
- •Жизненный цикл процессов.
- •2.2.4Формирование процессов 0 и 1
- •Формирование нулевого и первого процессов.
- •Инициализация системы.
- •2.3Планирование
- •2.4Взаимодействие процессов
- •2.4.1Разделяемые ресурсы и синхронизация доступа к ним
- •Гонка процессов.
- •Пример тупиковой ситуации (deadlock).
- •2.4.2Способы организации взаимного исключения
- •Пример двоичного семафора.
- •2.4.3Классические задачи синхронизации процессов
- •Обещающие философы.
- •3Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix
- •3.1Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ос Unix
- •Способы организации взаимодействия процессов.
- •3.1.1Сигналы
- •3.1.2Неименованные каналы
- •3.1.3Именованные каналы
- •3.1.4Модель межпроцессного взаимодействия «главный–подчиненный»
- •Общая схема трассировки процессов.
- •3.2Система межпроцессного взаимодействия ipc (Inter-Process Communication)
- •3.2.1Очередь сообщений ipc
- •Очередь сообщений ipc.
- •0666 Определяет права доступа */
- •3.2.2Разделяемая память ipc
- •3.2.3Массив семафоров ipc
- •Int val; /* значение одного семафора */
- •3.3Сокеты — унифицированный интерфейс программирования распределенных систем
- •4Файловые системы
- •4.1Основные концепции
- •4.1.1Структурная организация файлов
- •4.1.2Атрибуты файлов
- •4.1.3Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
- •Модель одноуровневой файловой системы.
- •Модель двухуровневой файловой системы.
- •Модель иерархической файловой системы.
- •4.1.4Подходы в практической реализации файловой системы
- •Структура «системного» диска.
- •4.1.5Модели реализации файлов
- •Модель непрерывных файлов.
- •Модель файлов, имеющих организацию связанного списка.
- •4.1.6Модели реализации каталогов
- •Модели организации каталогов.
- •4.1.7Соответствие имени файла и его содержимого
- •Пример жесткой связи.
- •Пример символической связи.
- •4.1.8Координация использования пространства внешней памяти
- •4.1.9Квотирование пространства файловой системы
- •Квотирование пространства файловой системы.
- •4.1.10Надежность файловой системы
- •4.1.11Проверка 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.
- •4.2Примеры реализаций файловых систем
- •4.2.1Организация файловой системы ос Unix. Виды файлов. Права доступа
- •4.2.2Логическая структура каталогов
- •Логическая структура каталогов.
- •4.2.3Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V
- •Структура файловой системы версии System V.
- •4.2.3.1Работа с массивами номеров свободных блоков
- •Работа с массивами номеров свободных блоков.
- •4.2.3.2Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
- •4.2.3.3Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
- •Индексные дескрипторы.
- •Адресация блоков файла.
- •4.2.3.4Файл-каталог
- •Файл-каталог.
- •Установление связей.
- •4.2.3.5Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
- •4.2.4Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (ffs) bsd
- •Структура файловой системы версии ffs bsd.
- •4.2.4.1Стратегии размещения
- •Стратегия размещения последовательных блоков файлов.
- •4.2.4.2Внутренняя организация блоков
- •Внутренняя организация блоков (блоки выровнены по кратности).
- •4.2.4.3Выделение пространства для файла
- •Выделение пространства для файла.
- •4.2.4.4Структура каталога ffs
- •Структура каталога ffs bsd.
- •4.2.4.5Блокировка доступа к содержимому файла
- •5Управление оперативной памятью
- •5.1Одиночное непрерывное распределение
- •Одиночное непрерывное распределение.
- •5.2Распределение неперемещаемыми разделами
- •Распределение неперемещаемыми разделами.
- •5.3Распределение перемещаемыми разделами
- •Распределение перемещаемыми разделами.
- •5.4Страничное распределение
- •Страничное распределение.
- •Иерархическая организация таблицы страниц.
- •Использование хеш-таблиц.
- •Инвертированные таблицы страниц.
- •Замещение страниц. Алгоритм «Часы».
- •5.5Сегментное распределение
- •Сегментное распределение.
- •5.6Сегментно-страничное распределение
- •Сегментно-страничное распределение. Упрощенная модель Intel.
- •6Управление внешними устройствами
- •6.1Общие концепции
- •6.1.1Архитектура организации управления внешними устройствами
- •Модели управления внешними устройствами: непосредственное (а), синхронное/асинхронное (б), с использованием контроллера прямого доступа или процессора (канала) ввода-вывода.
- •6.1.2Программное управление внешними устройствами
- •Иерархия архитектуры программного управления внешними устройствами.
- •6.1.3Планирование 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.
- •6.1.4Raid-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).
- •6.2Работа с внешними устройствами в ос Unix
- •6.2.1Файлы устройств, драйверы
- •6.2.2Системные таблицы драйверов устройств
- •6.2.3Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
- •6.2.4Включение, удаление драйверов из системы
- •6.2.5Организация обмена данными с файлами
- •Организация обмена данными с файлами.
- •6.2.6Буферизация при блок-ориентированном обмене
- •6.2.7Борьба со сбоями
1.1.6Прикладные системы
Итак, мы переходим к вершине структурной организации вычислительных систем — к уровню прикладного программного обеспечения. Прикладная система — это программная система, ориентированная на решение или автоматизацию решения задач из конкретной предметной области. Прикладная система является прагматической основой всей вычислительной системы, так как, в конечном счете, именно для решения конкретных прикладных задач создавались все те уровни вычислительной системы, которые мы рассмотрели к настоящему времени.
В истории развития прикладных систем можно выделить четыре этапа. Первый — прикладные системы компьютеров первого поколения. Основной характеристикой данных систем являлось то, что для автоматизации решения каждой конкретной задачи создавалась уникальная программная система, которая не предполагала возможность модификации функциональности, переноса с одной вычислительной системы на другую (Рис. 13.). Пользовательского интерфейса не было, как такового. Подавляющее большинство решаемых прикладных задач было связано с моделированием физических процессов, и, в свою очередь, результаты моделирования представлялись в виде последовательностей чисел и числовых таблиц. Уровень инструментальных средств программирования, доступных для решения прикладных задач, накладывал достаточно жесткие требования к квалификации специалистов, занимающихся автоматизацией решения прикладных задач. Кроме знания предметной области, алгоритмов и методов решения соответствующих прикладных задач программист должен был владеть средствами программирования компьютеров первого поколения — уметь использовать для этих целей систему команд или ассемблер компьютера.
Первый этап развития прикладных систем.
Второй этап — развитие систем программирования и появление средств создания и использования библиотек программ (Рис. 14.).
Второй этап развития прикладных систем.
Библиотеки прикладных программ позволили аккумулировать и многократно использовать практический опыт численного решения типовых задач из конкретных предметных областей. Составляющие библиотеку подпрограммы служили "строительными блоками", которые в интеграции с системами программирования использовались для разработки прикладных систем. Библиотеки прикладных программ стали одними из первых программных систем, которые могли относиться к категории программных продуктов — документированных, прошедших детальное тестирование, распространенное в пользовательской среде. Библиотеки прикладных программ, наверное, были одними из первых коммерческих программных продуктов, т.е. они являлись интеллектуальным товаром, который можно было продать и купить. Примером может служить библиотека программ численного интегрирования, включающая в свой состав подпрограммы, реализующие всевозможные методы численного нахождения значений определенных интегралов. Библиотеки прикладных программ существенно упростили процесс разработки прикладных систем, однако требования к квалификации прикладного программиста оставались достаточно высокими. Прикладные системы этого этапа создавались с использованием стандартных систем программирования и в большей части были уникальны: создавались для решения конкретной задачи в конкретных условиях.
Третий этап характеризуется появлением пакетов прикладных программ (ППП), которые включали в себя программные продукты (Рис. 15.), предназначенные для решения широкого комплекса задач из конкретной прикладной области и обладающие следующими свойствами:
программные продукты имели развитые, стандартизованные пользовательские интерфейсы, не требующие высокой программисткой квалификации от прикладного пользователя и значительных затрат на их освоение;