5 Управление оперативной памятью 187

5.1 Одиночное непрерывное распределение 187

5.2 Распределение неперемещаемыми разделами 188

5.3 Распределение перемещаемыми разделами 190

5.4 Страничное распределение 191

5.5 Сегментное распределение 198

5.6 Сегментно-страничное распределение 200

6 Управление внешними устройствами 202

6.1 Общие концепции 202

6.1.1 Архитектура организации управления внешними устройствами 202

6.1.2 Программное управление внешними устройствами 203

6.1.3 Планирование дисковых обменов 204

6.1.4 RAID-системы. Уровни RAID 207

6.2 Работа с внешними устройствами в ОС Unix 210

6.2.1 Файлы устройств, драйверы 210

6.2.2 Системные таблицы драйверов устройств 211

6.2.3 Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера 212

6.2.4 Включение, удаление драйверов из системы 212

6.2.5 Организация обмена данными с файлами 213

6.2.6 Буферизация при блок-ориентированном обмене 214

6.2.7 Борьба со сбоями 215

1Введение

Настоящая книга основывается на многолетнем опыте чтения авторами курсов лекций и проведении семинарских занятий по операционным системам на факультете вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (Россия) и на факультете компьютерных наук университета Ватерлоо (Онтарио, Канада).

Операционная система является одним из ключевых понятий, связанных с функционированием компьютеров и их программного обеспечения. В существующей литературе многие понятия, связанные с вычислительной техникой, определяется неоднозначно, что иногда вносит путаницу в представление полной картины того, что и как функционирует в современном компьютере. Неоднозначностью определений страдает и понятие операционная система. В каких-то источниках операционная система определяется, «как система интерфейсов, предназначенная для обеспечения удобства работы пользователя с компьютером», в каких-то — это «посредник между программами пользователя и аппаратными средствами», кто-то сопоставляет это понятие с «возможностями и интерфейсами, предоставляемыми инструментальными средствами программирования и/или прикладными системами». В целом, каждая из перечисленных интерпретаций понятия операционная система имеет право на существование, и природа появления того или иного представления ясна. Однако многие из используемых трактовок термина операционная система ориентированы на конкретную категорию пользователей (программист, пользователь прикладной системы, системный программист и т.п.) и не формируют целостной картины функций свойств и взаимосвязей с другими компонентами программного обеспечения и аппаратуры компьютера.

Авторы настоящей книги ставили перед собой цель выстроить систему определений и рассмотреть основные свойства и примеры реализации тех или иных аппаратных и программных компонентов, функционирующих в компьютере, в их взаимосвязи, акцентировав основное внимание на понятии операционная система, на основах ее построения, примерах организации тех или иных частей наиболее распространенных на сегодняшний день ОС.

История появления и развития операционных систем целиком и полностью связана с развитием и становлением аппаратных возможностей компьютеров. Рассмотрим ключевые этапы этого процесса.

Первое поколение компьютеров: середина 40-х — начало 50-х годов XX века. Компьютеры этого поколения строились на электронно-вакуумных лампах. В 1946 г. в Пенсильванском университете США была разработана вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая считается одной из первых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Данная машина была разработана по заказу министерства обороны США и применялась для решения задач энергетики и баллистики. Производительность таких компьютеров измерялась от сотен до тысяч команд (операций) в секунду. Компьютер состоял из процессора, оперативного запоминающего устройства и достаточно примитивных внешних устройств: устройства вывода (вывод цифровой информации на бумажную ленту), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) — аппаратных средств хранения готовых к исполнению программы и данных (магнитные ленты), и устройства ввода, позволявшего вводить в оперативную память компьютера предварительно подготовленные на специальных носителях (перфокартах, перфоленте и пр.) программы и данные.

Изначально компьютеры первого поколения использовались в однопользовательском, персональном режиме, т.е. вся система монопольно предоставлялась одному пользователю, при этом программа и необходимые данные, представленные в машинных кодах в двоичном представлении, вводились в оперативную память, а затем запускалась на исполнение. Пользователь (программист) использовал аппаратную консоль (или пульт управления) компьютера для ввода и запуска программы чтения данных через устройства ввода. Результат выполнения программы выводился на устройство печати. В случае возникновения ошибки работа компьютера по выполнению команд программы прерывалась, и возникшая ситуация отображалась на индикаторах пульта управления, содержание которых анализировалось программистом. Программирование в машинных кодах привносило ряд проблем, связанных с техническими сложностями написания, модификации и отладки программы. Кроме того, в задачу программиста входило кодирование всех необходимых операций ввода/вывода с помощью специальных машинных команд управления внешними устройствами. В этот период от пользователя компьютера требовались не только алгоритмические знания и навыки решения конкретной прикладной задачи, но и достаточно хорошие знания организации и использования аппаратуры компьютера, доскональное знание системы команд и кодировки, используемой в данном компьютере, знание особенностей программирования устройств ввода/вывода, т.е. программист должен был быть, отчасти, и инженером-электронщиком. На этапе существования компьютеров первого поколения появился класс программ, обеспечивающих определенные сервисные функции программирования — это ассемблеры, первые языки высокого уровня и трансляторы для этих языков, а также простейшие средства организации и использования библиотек программ. Кроме того, можно говорить о зарождении класса сервисных, управляющих программ: представителями этого класса являлись программы чтения и загрузки в оперативную память программ и данных с внешних устройств. Эти программы были предопределены фирмой-разработчиком компьютеров и вводились в оперативную память с использованием аппаратной консоли. Так при помощи консоли было возможно вручную ввести в оперативную память последовательность команд, составляющих управляющую программу, и осуществить ее запуск. В случае если управляющая программа размещалась на внешнем запоминающем устройстве, через аппаратную консоль вводилась последовательность команд, обеспечивающих чтение кода управляющей программы в оперативную память и передачу управления на ее точку входа.

Компьютеры второго поколения: конец 50-х годов — вторая половина 60-х годов ХХ века. Традиционно, с компьютерами второго поколения связывается использование полупроводниковых приборов — диодов и транзисторов, которые по функциональной емкости, размеру, энергопотреблению в десятки раз превосходили возможности электронно-вакуумных ламп. В результате компьютеры второго поколения стали обладать существенно более развитыми логическими возможностями и в тысячи раз превосходили компьютеры первого поколения по производительности. Широкое распространение получили новые высокопроизводительные внешние устройства ЭВМ. Все это определило и активное совершенствование программного обеспечения и способов использования компьютеров. Можно с уверенностью утверждать, что реальное зарождение понятия операционной системы связано именно с появлением и совершенствованием архитектуры компьютеров второго поколения.

Этапом в развитии форм использования компьютеров стала пакетная обработка заданий, суть которой состояла в следующем. В компьютере работала специальная управляющая программа, в функции которой входила последовательная загрузка в оперативную память и запуск на выполнение программ из заранее подготовленного пакета программ. Пакет программ физически может быть представлен в виде «большой» стопки перфокарт, в которой программы находятся последовательно. В этом случае управляющая программа по завершении выполнения текущей программы осуществляет чтение очередной программы через устройство считывания перфокарт, загрузку ее в оперативную память и передача управления на фиксированную точку входа в программу (адрес памяти с которого должно начинаться выполнение программы). По завершении программы или после возникновения в программе ошибки, которая вызывает аварийную остановку выполнения программы, управление передается в управляющую программу (Рис. 1.).