
- •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
Этапы эволюции.
На данном этапе в результате эволюции понятий образовалось достаточно полное и однозначное определение того, что называется операционной системой, определена типовая структура операционной системы и функции ее основных компонентов. Сформировались принципиально новые разновидности операционных систем и режимов использования компьютеров.
Следует отметить тот факт, что развитие компьютеров, системного программного обеспечения, методов применения вычислительной техники показали, что единственным периодом истории, когда аппаратная часть разрабатывалась исключительно в качестве вычислителя без учета потребностей поддержки решения задач организации вычислительного процесса был период создания и производства компьютеров первого поколения. На сегодняшний день аппаратура и программное обеспечение современных компьютеров представляют единую взаимозависимую вычислительную систему, в которой многие функции операционной системы нельзя рассматривать вне контекста аппаратной поддержки компьютера, а многие аппаратные возможности сложно рассматривать вне контекста операционных систем (Рис. 3.).
1.1Основы архитектуры вычислительной системы
Современный компьютер и его программное обеспечение невозможно рассматривать в отдельности друг от друга. Рассматривая функционирование компьютера, мы всегда имеем в виду функционирование системы, в которой интегрированы аппаратура компьютера и его программное обеспечение. Результатом этой интеграции является вычислительная система (ВС), возможности и эксплуатационные качества которой определяются как аппаратурой компьютера, так и функционирующим на нем программным обеспечением. Вычислительную систему можно определить, как совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрим структурную организацию вычислительной системы.
1.1.1Структура вс
Традиционным представлением структуры вычислительной системы является пирамида (Рис. 4.). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракции свойств вычислительной системы. Основанием является аппаратный уровень вычислительной системы — это основа всей иерархии, так как многие характеристики и функциональные возможности последующих программных уровней существенно определяются свойствами аппаратуры компьютера, находящегося в основе вычислительной системы.
Представление о возможностях и свойствах конкретной вычислительной системы формируются с позиций каждого из уровней структурной организации. Так вычислительная система представляется пользователю прикладной системы, работающей на компьютере, в виде совокупности возможностей этой прикладной системы. Примером может служить игровой автомат, являющийся компьютером, на котором функционирует операционная система, а также игровая программа, которая в данном случае является прикладной системой. Пользователю данной специализированной вычислительной системы ее свойства представляются в виде функциональных возможностей игровой программы и итоговой производительностью системы (если процессор компьютера маломощный, до динамика игры может быть недостаточной).
Другой пример — компьютер, используемый для обучения школьников языку программирования. Это означает, что для школьника или его учителя свойства данной вычислительной системы будут представляться с позиций уровня системы программирования, построенной на основе транслятора языка программирования, на котором идет обучение. Представление свойств вычислительной системы в данном случае будет формироваться из пользовательского интерфейса системы программирования в сочетании со свойствами и производительностью аппаратных компонентов компьютера.