
- •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
Структура сетевой ос.
Вторую категорию составляют распределенные ОС. Распределенной операционной системой считается система, функционирующая на многопроцессорном или многомашинном комплексе, при этом на каждой машине функционирует отдельное ядро, а сама система обеспечивает реализацию распределенных возможностей ОС (т.н. сервисы или услуги). Примером распределенных функций может служить функция управления заданиями (напомним, что в кластерных системах задание может представлять собою целое множество процессов, и ставится задача распределить эти процессы по имеющимся процессорным узлам). Другим примером может служить распределенная файловая система: традиционная файловая система ОС Unix просто не справится с потоками информации между узлами многопроцессорных систем, поэтому необходимы принципиально новые решения организации хранения и доступа к файлам.
Структура распределенной ос.
2Управление процессами
2.1Основные концепции
Выше уже встречалось понятие процесса и некоторые его определения. Итак, под процессом понимается совокупность машинных команд и данных, обрабатываемая в вычислительной системе и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов ВС. Также уже говорилось, что ресурсы могут декларироваться посредством различных стратегий, причем ресурс может эксклюзивно принадлежать одному единственному процессу, а может быть разделяемым, когда доступ к нему могут иметь два и более процесса.
Также ранее отмечалось, что одной из функций логического блока управления процессами ОС является функция поддержания жизненного цикла процесса. Жизненный цикл процесса — это те этапы, через которые может проходить процесс в ходе своей обработки и исполнении в рамках вычислительной системы. В реальности жизненный цикл процесса представляет собою характеристику конкретной операционной системы.
Выделим следующие типовые этапы жизненного цикла процесса:
образование (порождение или формирование) процесса,
исполнение процесса на процессоре,
ожидание постановки процесса на исполнение — обычно это ожидание какого-либо события: ожидание окончания обмена, ожидание выделения ресурса центрального процессора и пр.,
завершение процесса — важный этап, связанный с возвратом процессом принадлежащих ему ресурсов.
2.1.1Модели операционных систем
Ниже будем рассматривать некоторую модельную операционную систему. Будем считать, что этапы жизненного цикла процесса разделены на два блока. Первый блок — это размещение процесса, или программы, в буфере ввода процессов (БВП). В этом буфере размещаются процессы от момента их формирования, или ввода в систему, до начала обработки его центральным процессором. Второй блок объединяет состояния процесса, связанные с размещением процесса в буфере обрабатываемых процессов (БОП), т.е. будем считать, что все процессы, которые начали обрабатываться центральным процессором, размещаются в данном буфере. Мы выделили именно два логических блока, т.к. эта модель отражает наиболее общую картину. Процесс после его формирования не обязательно сразу попадает на процессор, а многие информационные системные структуры образуются только тогда, когда процесс начинает обрабатываться, соответственно, поэтому можно провести разделение по структурной организации. Размеры буферов в различных системах могут варьироваться.
Теперь рассмотрим модели операционных систем того или иного класса систем, и начнем мы рассмотрение модели пакетной однопроцессной системы (Рис. 69.). В подобной системе жизненный цикл процесса состоит всего из трех этапов. Первый этап — ожидание начала обработки, т.е. поступление процесса в очередь на начало обработки процессором и ожидание им начала своей обработки (процесс попадает в БВП). Второй этап — обработка (переход из БВП в БОП). Последний этап — завершение процесса, освобождение системных ресурсов. Данная система не имеет ожиданий готовых процессов или ожиданий ввода-вывода — это однопроцессная система, которая обрабатывает один процесс, причем все обмены синхронные, и процесс никогда не откладывается.
Модель пакетной однопроцессной системы. 0 — поступление процесса в очередь на начало обработки ЦП (процесс попадает в БВП). 1 — начало обработки процесса на ЦП (из БВП в БОП). 2 — Завершение выполнения процесса, освобождение системных ресурсов.
Следующая модель — модель пакетной мультипроцессной системы (Рис. 70.). Данная модель уже имеет более богатый набор состояний процесса. Есть состояние ожидания начала обработки в БВП, после которого процесс попадает в БОП на обработку центральным процессором. Поскольку мы рассматриваем модель пакетной системы, то обрабатываемый процесс может либо завершиться, либо перейти в состояние ожидания ввода-вывода (если процесс обращается к операции обмена). Когда процесс переходит из состояния обработки на процессоре, система может поставить на счет либо процесс из БВП, либо из очереди готовых на выполнение процессов в зависимости от той или иной реализованной стратегии. Соответственно, после того, как процесс завершил обмен, он меняет свой статус и попадает в очередь на выполнение, из которой позже он попадет снова на выполнение.
Модель пакетной мультипроцессной системы. 0 — поступление процесса в очередь на начало обработки ЦП (процесс попадает в БВП). 1 — начало обработки процесса на ЦП (из БВП в БОП). 2 — процесс прекращает обработку ЦП по причине ожидания операции ввода-вывода, поступает в очередь завершения операции обмена (БОП). 3 — операция обмена завершена, и процесс поступает в очередь ожидания продолжения выполнения ЦП (БОП). 4 — выбирается процесс для выполнения на ЦП. 5 — завершение выполнения процесса, освобождение системных ресурсов.
Произведя в рассмотренной модели пакетной мультипроцессной системы небольшие изменения, можно получить модель операционной системы с разделением времени (Рис. 71.). Структурно достаточно добавить возможность перехода из состояния обработки центральным процессором в очередь готовых на выполнение процессов. Т.е. система имеет возможность прервать выполнение текущего процесса и поместить его в указанную очередь. Но такая модель не предполагает свопинга, или механизма откачки процесса во внешнюю память. В принципе, такую возможность можно также добавить в модель системы (Рис. 72.), тогда появляется еще одно состояние, характеризующее процесс, как откачанный во внешнюю память. Заметим, что в новое состояние могут переходить процессы лишь из очереди готовых на выполнение процессов, а процессы, ожидающие окончания ввода-вывода, свопироваться не могут, иначе в системе будут «зависать» заказы на обмен.
Модель ОС с разделением времени. 6 — процесс прекращает обработку ЦП, но в любой момент может быть продолжен (истек квант времени ЦП, выделенный процессу). Поступает в очередь процессов, ожидающих продолжения выполнения центральным процессором (БОП).
Модель ОС с разделением времени (модификация). Заблокированный процесс может быть откачан (свопирован) на внешний носитель, а на освободившееся место может быть подкачен процесс с внешнего носителя, который был откачен ранее, либо взят новый.