Основы архитектуры операционных систем - раздел Образование, ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Этот Раздел Мы Начнем С Определения Базовых Понятий, Среди Которых Очень Важн...
Этот раздел мы начнем с определения базовых понятий, среди которых очень важным для нас станет понятие операционной системы. Этот термин имеет различные толкования в разных изданиях, мы остановимся на следующем.
Операционная система — это комплекс программ, в функции которого входит обеспечение контроля за существованием, использованием и распределением ресурсов вычислительной системы. Напомним, что вычислительная система может включать в свой состав как физические, так и виртуальные ресурсы. Чтобы дать более ясную картину того, что же мы будем считать операционной системой, разберем ее определение детально.
Начнем с того, что операционная система обеспечивает контроль за существованием ресурсов. Для любого ресурса степень его доступности зависит от операционной системы. Существуют ресурсы, которые полностью зависят от того, имеется ли их реализация в операционной системе или нет, если есть, то какая именно это реализация. Примером подобного ресурса служит файловая система: этого ресурса может и не быть в операционной системе, может существовать одна модель, или другая модель, или сразу несколько моделей.
Следующий пункт — использование ресурсов. Здесь имеется в виду, что операционная система предоставляет все средства, обеспечивающие доступность ресурсов ВС пользователю (точнее программам).
И, наконец, распределение: под этим будем понимать обеспечение всевозможных моделей регламентации доступа.
Любая операционная система опирается на набор базовых сущностей, на основе характеристик которых выстраиваются почти все эксплуатационные свойства конкретной операционной системы. При этом, для различных операционных систем наборы базовых сущностей зачастую различаются: одни основаны на понятии устройства, другие — на понятии файла, третьи — на понятии набора данных. Но в большинстве случаев в состав базовых включается сущность, обозначающая исполняемую программу, задачу, задание или процесс. Эта сущность определяет некоторый процесс исполнения последовательности команд, причем здесь может участвовать единственная ветвь вычислений, а может сразу и несколько параллельных ветвей. Из множества трактовок этой сущности мы выберем понимание ее именно как процесса.
Процесс — это совокупность машинных команд и данных, обрабатывающаяся в рамках вычислительной системы и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов.
Разберемся в этом определении. Понятие совокупности машинных команд и данныхобозначает то, что принято называть исполняемой программой, т.е. это код и операнды, используемые в этом коде. Далее, под термином обработки в рамках ВС будем понимать, что эта программа сформирована и находится в системе в режиме обработки (это может быть и ожидание, и исполнение на процессоре, и т.п.). И, третье, понятие обладания правами на владение некоторым набором ресурсов обозначает, по сути, возможность доступа. Отметим, что здесь речь не идет об эксклюзивных правах, поскольку в общем случае это было бы некорректно. Итак, иными словами процесс можно определить как исполняемую программу, которая введена в систему для ее обработки, и с которой ассоциированы некоторые ресурсы вычислительной системы.
Ресурсы, выделяемые процессам, могут быть двух типов. Первая категория ресурсов состоит из тех ресурсов, которые выделяются процессу на эксклюзивных правах. Это означает, что этот ресурс, пока процесс им владеет, принадлежит ему и только ему, и никакой иной процесс не имеет право работать с данным ресурсом. Вторая категория — это те ресурсы, которые в один и тот же момент времени могут принадлежать двум и более процессам, и их принято называть разделяемыми ресурсами. Здесь сделаем небольшое пояснение: то, что разделяемый ресурс может одновременно принадлежать нескольким процессам, не означает, что к нему возможен одновременный доступ. Обозначенная проблема решается на другом уровне посредством использования разных схем синхронизации доступа к разделяемому ресурсу, и об этом речь пойдет несколько позже.
С точки зрения выделения ресурса процессу используются две модели организации этого выделения. Первый способ — это предварительная декларация ресурсов. В этом случае до ввода программы в систему и формирования для нее процесса описывается перечень тех ресурсов, которыми процесс будет обладать. Например, это может быть перечень областей оперативной памяти, которые будут доступны данному процессу (если система поддерживает механизм виртуальной памяти, то это будет перечень областей виртуальной памяти, доступных процессу). Или же это может быть предельное время центрального процессора, которое может быть потрачено на исполнение данного процесса. Так или иначе, при вводе программы и формировании процесса операционная система постарается выделить все необходимые ресурсы, которые были предварительны декларированы. Если в системе нет заказанного ресурса, то она, скорее всего, не станет запускать процесс, который запросил этот ресурс.
Вторая модель — это динамическое дополнение списка ресурсов. Данная модель предполагает выделение процессу ресурса уже во время выполнения этого процесса. Это означает, что в системе происходит запуск процесса с выделением ему минимально необходимой области виртуальной памяти, а затем, когда процесс обращается к системе за выделением дополнительной области, то ОС обрабатывает эти запросы соответствующим образом. Отметим также, что на практике также применяются и смешанные подходы, но во многих системах, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, ориентация сделана на динамическую модель выделения ресурсов.
Многие операционные системы разрабатывались и разрабатываются таким образом, чтобы обладать следующими важными свойствами: надежность, защита, эффективность и предсказуемость.
Надежность означает, что система должна быть надежной как программный комплекс, т.е. число программных ошибок в системе должно быть сведено к минимуму и должно быть соизмеримо с количеством возможных аппаратных сбоев.
Защита информации на сегодняшний день является одним из основных требований, предъявляемых к системе. ОС должна обеспечивать защиту информации и ресурсов от несанкционированного доступа.
Свойство эффективности означает, что функционирование системы должно удовлетворять некоторым требованиям, критериям эффективности, которые, по сути, являются оценкой соответствия.
И, наконец, это предсказуемость системы, являющееся также одним из важных свойств ОС, поскольку большинство систем, которые, так или иначе, являются массово распространенными, при возникновении разного рода форс-мажорных обстоятельств должны вести себя строго определенным способом. Это свойство должно очерчивать круг всевозможных проблем, которые могут возникнуть в той или иной ситуации, а также подразумевать устойчивость системы к возникновению подобных обстоятельств.
Все темы данного раздела:
Основы 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,
Структура ВС
Традиционным представлением структуры вычислительной системы является пирамида (Рис. 4). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракции свойств вычислительной системы. Основанием явл
Аппаратный уровень ВС
Итак, аппаратный уровень вычислительной системы определяется набором аппаратных компонентов и их характеристик, используемых вышестоящими уровнями иерархии и оказывающих влияние на эти уровни. С по
Управление физическими ресурсами ВС
Уровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системного программного обеспечения вычислительной системы. Его назначение — систематизация и стандартизация правил пр
Системы программирования
Прежде[R3] чем начать рассматривать следующий уровень структурной организации вычислительных систем, обратимся к последовательности этапов, традиционно связываемых с разработкой и внедрением програ
Прикладные системы
Итак, мы переходим к вершине структурной организации вычислительных систем — к уровню прикладного программного обеспечения. Прикладная система — это програм
Основы компьютерной архитектуры
Изучение принципов структурной организации и функционирования основных компонентов операционной системы невозможно без рассмотрения основ архитектуры компьютера. Настоящая глава посвящена рассмотре
Структура, основные компоненты
Середина 40-х годов прошлого века может вправе считаться сроком зарождения современной вычислительной техники. С этой датой связана публикация американского математика венгерского происхождения Джо
Оперативное запоминающее устройство
Оперативное запоминающее устройство (RAM — Random-Access Memory) — это устройство хранения данных компьютера, в котором находится исполняемая в данный момент программа. ОЗУ еще называют основной па
Центральный процессор
Процессор, или центральный процессор (ЦП), компьютера обеспечивает последовательное выполнение машинных команд, составляющих программу, размещенну
Регистровая память
Регистровый файл (register file), или регистровая память, — совокупность устройств памяти процессора — т.н. регистров, предназначенных для временного хр
Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
Устройство управления (control unit) — устройство, которое координирует выполнение команд программы процессором. Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic
КЭШ-память
Ключевой проблемой функционирования компьютеров является проблема несоответствия производительности центрального процессора и скорости доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Мы рас
Аппарат прерываний
Если мы обратим внимание на представленный выше рабочий цикл процессора, то увидим, что такая схема не предусматривает возможности обработки ошибочной ситуации, которая может возникнуть в системе в
Внешние устройства
Внешние[R6] устройства во многом определяют эксплуатационные характеристики как компьютера, так и вычислительной системы в целом. Размер экрана монитора, объем и производительность магнитных дисков
Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для организации хранения данных и программ. Обычно операции чтения или записи с ВЗУ происходят некоторыми порциями данных, которые называются
Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
Важной характеристикой, во многом определяющей эффективность функционирования вычислительной системы, является модель синхронизации, поддерживаемая аппаратурой компьютера при взаимодействии централ
Потоки данных. Организация управления внешними устройствами
При рассмотрении работы любого компьютера имеют место два потока информации. Первый поток — это управляющая информация, второй поток — это поток данных, над которыми осуществляется обработка в прог
Иерархия памяти
Рассматривая вычислительную систему, или компьютер, можно выстроить некоторую последовательность устройств, предназначенных для хранения информации в некотором ранжированном порядке, иерархии. Этот
Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
Если[R7] мы обратим свое внимание на рассмотрение компьютеров первого поколения, то это были компьютеры (computer — вычислитель) в прямом смысле слова, т.е. производители первых компь
Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
Выше уже речь уже шла о мультипрограммном режиме, когда в обработке могут находиться две и более программы пользователей, и каждая из этих программ может находиться в одном из трех
Проблемы, возникающие при исполнении программ
Рассмотрим круг проблем, которые, так или иначе, возникают при исполнении программ.
Вложенные обращения к подпрограммам (Рис. 44). Несколько лет назад проводились исследов
Регистровые окна
Одно из более или менее новых решений, предназначенное для минимизации накладных расходов, связанных с обращениями к подпрограммам, основано на использовании в современных процессорах т.н.
Системный стек
Будем рассматривать системы, в которых имеется аппаратная поддержка стека. Это означает, что имеется регистр, который ссылается на вершину стека, и есть некоторый механизм, который поддерживает раб
Виртуальная память
Следующий аппарат компьютера, который также сильно связан с поддержкой программного обеспечения, — это аппарат виртуальной памяти. Что понимается под виртуальной памятью и в
Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
В[R8] настоящее время одиночный компьютер можно сравнить с телефонным аппаратом без телефонной сети. Т.е., говоря об ЭВМ, мы подразумеваем машину в некотором окружении и взаимодействии с другими ма
Терминальные комплексы (ТК)
Терминальный комплекс — это многомашинная ассоциация, предназначенная для организации массового доступа удаленных и локальных пользователей к ресурсам некоторой вычислительной
Компьютерные сети
Развитие терминальных комплексов положило основу развития компьютерных сетей. И следующим шагом стала замена терминальных устройств компьютерами.
Компьютерная сеть — э
Структура ОС
Существует множество взглядов, касающихся структуры операционной системы, и в этом разделе речь пойдет о некоторых из них.
Простейшая структурная организация основана на представлении опер
Логические функции ОС
Рассматривая ОС, ее функциональность можно представить в виде объединения некоторого фиксированного количества блоков функций. Состав этого набора варьирует от системы к системе, но в большинстве с
Типы операционных систем
Операционные системы можно классифицировать с точки зрения критериев эффективности и стратегий использования центрального процессора. Можно выделить три основных класса операционных систем:
Основные концепции
Выше уже встречалось понятие процесса и некоторые его определения. Итак, под процессом понимается совокупность машинных команд и данных, обрабатываем
Модели 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,
Типы процессов
Рассматривая процесс в той или иной операционной системе, можно обнаружить, что встречается деление процессов на две категории: т.н. полновесные процессы и легков
Контекст процесса
Говоря о различных механизмах, происходящих в системе, часто затрагивался термин контекст процесса. Под контекстомпроцесса мы будем понимать совокупн
Процесс ОС Unix
Механизм управления и взаимодействия процессов в ОС Unix послужил во многом основой для развития операционных систем в целом, и логического блока управления процессами в частности. Во многом органи
Базовые средства управления процессами в ОС Unix
Рассмотрим[R12] теперь, что происходит при обращении к системному вызову fork(). При обращении процесса к данному системному вызову операционная система создает копию текущего процесса, т.е.
Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
Рассмотрим обобщенную и несколько упрощенную схему жизненного цикла процессов в ОС Unix (Рис. 79). Можно выделить целую совокупность состояний, в которых может находиться процесс.
Формирование процессов 0 и 1
Все механизмы взаимодействия процессов в ОС Unix унифицированы и основываются на связке системных вызовов fork-exec. Абсолютно все процесс в ОС Unix создается по приведенной схеме, но сущест
Способы организации взаимного исключения
В этом разделе речь пойдет о способах, позволяющих обеспечить работу с критическими ресурсами, т.е. тот способ работы с разделяемым ресурсом, при котором в любой момент времени с ним может работать
Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ОС Unix
Сразу[R16] необходимо отметить, что во всех иллюстрациях организаций взаимодействия процессов будем рассматривать полновесные процессы, т.е. те «классические» процессы, которые представляются в вид
Сигналы
В ОС Unix присутствует т.н. аппарат сигналов, позволяющий одним процессам оказывать воздействия на другие процессы. Сигналы могут рассматриваться как средство уведомления пр
Неименованные каналы
Неименованный[R17] канал (или программный канал) представляется в виде области памяти на внешнем запоминающем устройстве, управ
Именованные каналы
Файловая система ОС Unix поддерживает некоторую совокупность файлов различных типов. Файловая система рассматривает каталоги как файлы специального типа каталог, обычные файлы, с которым мы
Очередь сообщений IPC
Система предоставляет возможность создания некоторого функционально расширенного аналога канала, но главное отличие заключается в том, что сообщения в очереди сообщений IPC типизированы. Каждое соо
Массив семафоров IPC
Семафоры представляют собой одну из форм IPC и используются для организации синхронизации взаимодействующих процессов. Рассмотрение функций для работы с семафорами мы начнем традиционно с функции с
Основные концепции
Под[R27] файловой системой (ФС) мы будем понимать часть операционной системы, представляющую собой совокупность организованных наборов данных, хранящихся на внешних запомина
Структурная организация файлов
С точки зрения структурной организации файлов имеется целый спектр различных подходов. Существует некоторая установившаяся систематизация методов структурной организации файлов. Рассмотрим модели в
Атрибуты файлов
Каждый файл обладает фиксированным набором параметров, характеризующих свойства и состояния файла, причем и долговременное (стратегическое), и оперативное состояния. Совокупность этих параметров на
Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
Практически все файловые системы при организации работы с файлами действуют по схожим сценариям, которые в общем случае состоят из трех основных блоков действий.
Во-первых, это нач
Подходы в практической реализации файловой системы
Рассмотрим[R28] некоторые подходы в практической реализации файловой системы. Снова вернемся к понятию системного устройства — устройства, на котором, как считается аппарату
Модели реализации файлов
Первой тривиальной и самой эффективной с точки зрения минимизации накладных расходов является модель непрерывных файлов(Рис. 97). Данная модель подразумевает размещение каждого фай
Модели реализации каталогов
Существуют несколько подходов организации каталогов. Во-первых, каталог может представляться в виде таблицы, у которой в одной колонке находятся имена файлов, а в остальных — все атрибуты. Эта моде
Соответствие имени файла и его содержимого
Еще один момент, на который стоит обратить внимание при рассмотрении организации файловых систем, — это проблема соответствия между именем файла и содержимым этого файла.
Как отмечалось вы
Координация использования пространства внешней памяти
С точки зрения организации использования пространства внешней памяти файловой системой существует несколько аспектов, на которые необходимо обратить внимание. Первый момент связан с проблемой выбор
Квотирование пространства файловой системы
Как отмечалось выше, файловая система должна обеспечивать контроль использования двух видов системных ресурсов — это регистрация файлов в каталогах (т.е. контроль количества имен файлов, которое мо
Надежность файловой системы
Понятие надежности файловой системы включает в себя множество требований, среди которых, в первую очередь, можно выделить то, что системные данные файловой системы должны обладать избыточной информ
Проверка целостности файловой системы
Далее речь пойдет о моделях организации контроля и исправления ошибочных ситуаций, связанных с целостностью файловой системы. Обратим внимание, что будет рассматриваться целостность именно файловой
Организация файловой системы ОС Unix. Виды файлов. Права доступа
Файл ОС Unix — это специальным образом именованный набор данных, размещенных в файловой системе. Файлы ОС Unix могут быть разных типов:
- обычный файл
Логическая структура каталогов
Одной[R31] из характеристик ОС Unix является характеристика, кажущаяся на первый взгляд достаточно странной: система рекомендует размещать системную и пользовательскую информацию по некоторым прави
Работа с массивами номеров свободных блоков
Изначально номера всех свободных блоков файловой системы выстраиваются в единый связный список (Рис. 111), который размещается в нескольких блоках. Первый блок располагается в суперблоке (а значит,
Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
Массив номеров свободных индексных дескрипторов — это массив фиксированного количества элементов. Изначально данный массив заполнен номерами свободных индексных дескрипторов.
Если происход
Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
Выше уже отмечалось, что индексный дескриптор (Рис. 112) является системной структурой данных, содержащей атрибуты файла, а также всю оперативную информацию об организации и
Файл-каталог
Каталог файловой системы версии System V — это файл специального типа, его содержимое так же, как и у регулярных файлов, находится в рабочем пространстве файловой системы и по
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 опт
Стратегии размещения
Работа системы основывается на трех концепциях. Первой концепцией является оптимизация размещения каталога. При создании каталога система осуществляет поиск кластера, наиболее своб
Внутренняя организация блоков
Размер блока в файловой системе FFS может варьироваться в достаточно широком диапазоне: предельный размер блока — 64 Кбайт. Как отмечалось выше, проблема выбора оптимального размера блока достаточн
Выделение пространства для файла
Рассмотрим алгоритм выделения пространства для файлов на следующем примере. Будем считать, что блок файловой системы поделен на 4 фрагмента. Пускай в системе хранятся файлы petya.txt и vasya.txt (Р
Структура каталога FFS
Каталог файловой системы FFS позволяет использовать имена файлов, длиной до 255 символов (Рис. 120). Каталог состоит из записей переменной длины, состоящих из блоков, размером в 4[R33] байта. Начал
Блокировка доступа к содержимому файла
Организация файловой системы ОС Unix позволяет открывать и работать с одним и тем же файлом произвольному числу процессов. Более того, один и тот же файл может быть многократно открыт в рамках одно
Управление оперативной памятью
Будем[R35] говорить о функциях управления оперативной памятью в контексте решения следующих основных задач. Во-первых, это осуществление контроля использования ресурса, т.е. одной из функций операт
Одиночное непрерывное распределение
Данная модель распределения оперативной памяти (Рис. 121) является одной из самых простых и основывается на том, что все адресное пространство подразделяется на два компонента. В одной части памяти
Страничное распределение
Об этой модели распределения оперативной памяти уже шла речь ранее, но тогда перед нами стояла задача лишь ввести читателя в курс дела, в этом же разделе будут обсуждаться более подробно современны
Сегментное распределение
Недостатком страничного распределения памяти является то, что при реализации этой модели процессу выделяется единый диапазон виртуальных адресов: от нуля до некоторого предельного значения. С одной
Сегментно-страничное распределение
Естественным развитием рассмотренной модели сегментного распределения памяти стала модель сегментно-страничного распределения. Эта модель рассматривает виртуальный адрес, как номер сегмента и смеще
Архитектура организации управления внешними устройствами
Как[R36] отмечалось ранее, при организации взаимодействия работы процессора и внешних устройств различают два потока информации: поток управляющей информации (т.е. поток команд какому-либо устройст
Программное управление внешними устройствами
Рассмотрим архитектуру программного управления внешними устройствами, которую можно представить в виде некоторой иерархии (Рис. 135). В основании лежит аппаратура, а далее следуют
Планирование дисковых обменов
Рассмотрим различные стратегии организации планирования дисковых обменов. При этом преследуется цель проиллюстрировать то многообразие подходов к решению данной проблемы, которые имеют место в мире
RAID-системы. Уровни RAID
Аббревиатура RAID может раскрываться двумя способами. RAID — Redundant Array of Independent (Inexpensive) Disks, или избыточный массив независимых (недорогих) дисков. На сегодняшний день обе расшиф
Файлы устройств, драйверы
Как[R37] уже неоднократно упоминалось, одной из основных особенностей ОС Unix является концепция файлов: практически все, с чем работает система, представляется в виде файлов. Внешние устройства не
Системные таблицы драйверов устройств
Для регистрации драйверов в системе используются две системные таблицы: таблицы блок-ориентированных устройств — bdevsw, и таблица байт-ориентированных устройств — cdevsw
Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
Список ситуаций, при которых происходит обращение к функциям драйверов, четко детерминирован. Во-первых, это старт системы и инициализация устройств и драйверов. При старте системы она имеет перече
Включение, удаление драйверов из системы
Изначально Unix-системы предполагали, как и большинство систем, «жесткие» статические встраивание драйверов в код ядра. Это означало, что при добавлении нового драйвера или удалении существующего н
Организация обмена данными с файлами
В этом разделе мы рассмотрим механизм организации обмена данными с файлами, после чего станет понятным, что происходит в системе, когда один и тот же файл открывается в системе одновременно несколь
Буферизация при блок-ориентированном обмене
Одним из достоинств ОС Unix является организация многоуровневой буферизации при выполнении неэффективных действий[R40] . В частности, для организации блок-ориентированных обменов система использует
Борьба со сбоями
Так или иначе, но в ОС Unix есть ряд традиционных средств для минимизации ущерба при отказах. Во-первых, в системе может быть задан параметр, определяющий промежутки времени, через которые осуществ
Новости и инфо для студентов