Реализация ввода-вывода в системе UNIX - раздел Образование, ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, СРЕДЫ И ОБОЛОЧКИ
Ввод-Вывод В Операционной Системе Unix Реализуется Набором Др...
Ввод-вывод в операционной системе UNIX реализуется набором драйверов устройств, по одному для каждого типа устройств. Функция драйвера заключается в изолировании остальной части системы от индивидуальных отличительных особенностей аппаратного обеспечения. При помощи стандартных интерфейсов между драйверами и остальной операционной системой большая часть системы ввода-вывода может быть помещена в машинно-независимую часть ядра.
Когда пользователь получает доступ к специальному файлу, файловая система определяет номера старшего и младшего устройств, а также выясняет, является ли файл блочным специальным файлом или символьным специальным файлом. Номер старшего устройства используется в качестве индекса для одного из двух внутренних массивов структур – bdevsw для блочных специальных файлов или cdevsw для символьных специальных файлов. Найденная таким образом структура содержит указатели на процедуры открытия устройства, чтения из устройства, записи на устройство и т. д. Номер младшего устройства передается в виде параметра. Добавление нового типа устройства к системе UNIX означает добавление нового элемента к одной из этих таблиц, а также предоставление соответствующих процедур выполнения различных операций с устройством.
Каждый драйвер разделен на несколько частей. Верхняя часть драйвера работает в режиме вызывающего процесса и служит интерфейсом с остальной системой UNIX. Нижняя часть работает в контексте ядра и взаимодействует с устройством. Драйверам разрешается обращаться к процедурам ядра для выделения памяти, управления таймером, управления DMA и т. д.
Система ввода-вывода разделена на два основных компонента: обработку блочных специальных файлов и обработку символьных специальных файлов. Цель той части системы, которая занимается операциями ввода-вывода с блочными специальными файлами (например, дисковым вводом-выводом), заключается в минимизации количества операций переноса данных. Для достижения данной цели в системах UNIX между дисковыми драйверами и файловой системой помещается буферный кэш. Буферный кэш представляет собой таблицу в ядре, в которой хранятся тысячи недавно использованных блоков. Когда файловой системе требуется блок диска (например, блок i-узла, каталога или данных), сначала проверяется буферный кэш. Если нужный блок есть в кэше, он получается оттуда, при этом обращения к диску удается избежать. Буферный кэш значительно улучшает производительность системы. Если же блока нет в буферном кэше, он считывается с диска в кэш, а оттуда копируется туда, куда нужно. Поскольку в буферном кэше есть место только для фиксированного количества блоков, требуется некий алгоритм управления кэшем. Обычно блоки в кэше организуются в связный список. При каждом обращении к блоку он перемещается в начало списка. Если в кэше не хватает места для нового блока, то из него удаляется самый старый блок, находящийся в конце списка. Буферный кэш поддерживает не только операцию чтения с диска, но также и запись на диск. Когда программа пишет блок, этот блок не попадает напрямую на диск, а отправляется в кэш. Только когда кэш наполняется, модифицированные блоки кэша сохраняются на диске. Чтобы модифицированные блоки не хранились в кэше слишком дол-го, их принудительная выгрузка на диск производится каждые 30 с.
В течение десятилетий драйверы устройств системы UNIX статически компоновались вместе с ядром, так что все они постоянно находились в памяти при каждой загрузке системы. Такая схема хорошо работала в условиях мало меняющихся конфигураций вычислительных машин. Все изменилось с появлением системы Linux, ориентированной в первую очередь на поддержку персональных компьютеров. Количество всевозможных устройств ввода-вывода на персональных компьютерах значительно больше, чем у классических вычислительных машин. Кроме того, хотя у пользователей системы Linux есть возможность иметь полный набор исходных текстов операционной системы, подавляющее большинство пользователей будет испытывать существенные трудности с добавлением нового драйвера, обновлением файлов cdevsw или bdevsw, компоновкой ядра и установкой его как загружаемой системы. В операционной системе Linux подобные проблемы были решены при помощи концепции подгружаемых модулей. Это куски кода, которые могут быть загружены в ядро во время работы операционной системы. Как правило, это драйверы символьных или блочных устройств, но подгружаемым модулем также могут быть целая файловая система, сетевые протоколы, программы для отслеживания производительности системы и т. д.
При загрузке модуля должно выполняться несколько определенных действий. Во-первых, модуль должен быть «на лету» перенастроен на новые адреса. Во-вторых, система должна проверить, доступны ли ресурсы, необходимые драйверу (например, определенные уровни запроса прерывания), и если они доступны, то пометить их как используемые. В-третьих, должны быть настроены все необходимые векторы прерываний. В-четвертых, для поддержки нового типа старшего устройства следует обновить таблицу переключения драйверов. Наконец, драйверу позволяется выполнить любую специфическую для данного устройства процедуру инициализации. Когда все эти этапы выполнены, драйвер является полностью установленным, как и драйвер, установленный статически. Некоторые современные системы UNIX также поддерживают подгружаемые модули.
Все темы данного раздела:
Понятия вычислительного процесса и ресурса
Понятие «вычислительный процесс» (или просто – процесс) является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Под
Планирование процессов
Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Для опе
Межпроцессное взаимодействие
Существенное значение имеет возможность взаимодействия процессов между собой. Например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабаты
Понятия потока («нити») и многопоточности
Когда говорят о процессах, то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство,
Управление памятью
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной с
Управление вводом-выводом
Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-выводаВМ. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать
Управление файлами и файловая система
Под файлом обычно понимают набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответству
Управление процессами и ресурсами в автономных многопроцессорных вычислительных машинах
3.1. Реализация операционных систем многопроцессорных вычислительных машин
В предыдущих разделах рассматривались вопросы реализации ОС, функционирующих на а
Планирование и синхронизация в многопроцессорных вычислительных машинах
На однопроцессорной ВМ планирование одномерно. Единственный вопрос, на который должен быть каждый раз получен ответ, – какой процесс должен быть запущен следующим? На мультипроцессо
И ресурсами в многомашинных вычислительных системах
Одним из эффективнейших направлений развития вычислитель-ной техники стало построение так называемых многомашинных вычислительных систем (далее – ММВС
Понятия сетевой и распределенной операционных систем
Операционные системы ММВС распределенного типа (то есть распределенных вычислительных систем – вычислительных сетей) обычно называют «сетевыми ОС». В
Операционных систем
Наиболее удачным (по современным меркам) способом, с помощью которого распределенная система может достичь определенного уровня однородности, несмотря на различие аппаратного обесп
Основные принципы построения операционных систем
Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности. Под модулемоперационной системы в общем случае понимают функционально законченный элеме
Операционных систем
Для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем до
Принципы построения системных и прикладных программных интерфейсов
Операционная система всегда выступает как интерфейс между аппаратурой машины и пользователем с его задачами. Под интерфейсами операционных систем понимают специальные системн
Операционные системы разных этапов разработки вычислительных машин
Зарождение прообразов операционных систем в современном их толковании относят к периоду разработки в середине 1950-х годов вычислительных машин на полупроводниковой элементной базе (так называемого
Операционных систем UNIX
История операционной системы UNIX началась в 1969 году с совместного проекта Массачусетского технологического института, исследовательской лаборатории Bell Labs и корпорации General
Операционных систем семейства Windows
Особое значение в истории и сегодняшнем дне операционных систем имеет семейство продуктов Windows корпорации Microsoft как наиболее популярных ОС для персональных компьютеров и сете
Общие представления
Операционная система UNIX представляет собой интерактивную систему, разработанную для одновременной поддержки нескольких процессов и нескольких пользователей. Она была разработана программистами и
Интерфейсы системы UNIX
Операционную систему UNIX можно рассматривать в виде некоторой пирамиды. У основания пирамиды располагается аппаратное обеспечение, состоящее из центрального процессора, памяти, дисков, терминалов
Оболочка и утилиты системы UNIX
У многих версий системы UNIX имеется графический интерфейс пользователя, схожий с популярными интерфейсами, примененными на компьютере Macintosh и впоследствии в системе Windows. Однако истинные пр
Структура ядра системы UNIX
Нижний уровень ядра состоит из драйверов устройств и процедуры диспетчеризации процессов. Все драйверы системы UNIX делятся на два класса: драйверы символьных устройств и драйверы
Реализация процессов в UNIX
У каждого процесса в системе UNIX есть пользовательская часть, в которой работает программа пользователя. Однако когда один из потоков обращается к системному вызову, происходит эму
Планирование в системе UNIX
Поскольку UNIX всегда была многозадачной системой, ее алгоритм планирования с самого начала развития системы разрабатывался так, чтобы обеспечить хорошую реакцию в интерактивных пр
Реализация управления памятью в UNIX
До версии 3BSD большинство систем UNIX основывались на свопинге (подкачке), работавшем следующим образом. Когда загружалось больше процессов, чем могло поместиться в памяти,
Потоки данных в UNIX
Так как символьные специальные файлы имеют дело с символьными потоками, а не перемещают блоки данных между памятью и диском, они не пользуются буферным кэшем. Вместо этого в первых
Реализация файловой системы Berkeley Fast
Приведенное выше описание объясняет принципы работы классической файловой системы UNIX. Теперь познакомимся с усовершенствованиями этой системы, реализованными в версии Berkeley. Во-первых, были р
Реализация файловой системы Linux
Изначально в операционной системе Linux использовалась файловая система операционной системы MINIX. Однако в системе MINIX длина имен файлов ограничивалась 14 символами (для совместимости с UNIX
Реализация файловой системы NFS
Файловая система NFS (Network File System – сетевая файловая система) корпорации Sun Microsystems, использующуюся на всех современных системах UNIX (а также на некоторых не-UNIX системах) для объе
Реализация безопасности в UNIX
Когда пользователь входит в систему, программа регистрации login (которая является SETUID root) запрашивает у пользователя его имя и пароль. Затем она хэширует пароль и ищет его в файле пар
Структура системы
Операционная система Windows 2000 состоит из двух основных частей: самой операционной системы, работающей в режиме ядра, и подсистем окружения, работающих в режиме пользователя. Ядро является тра
Реализация объектов
Объекты представляют собой, вероятно, самое важное понятие операционной системы Windows 2000. Они предоставляют однородный и непротиворечивый интерфейс ко всем системным ресурсам
Подсистемы окружения
Итак, операционная система Windows 2000 состоит из компонентов, работающих в режиме ядра, и компонентов, работающих в режиме пользователя. Выше были рассмотрены компоненты, работающие в режиме ядра
Межпроцессное взаимодействие
Для общения друг с другом потоки могут использовать широкий спектр возможностей, включая каналы, именованные каналы, почтовые ящики, вызов удаленной процедуры и совместно используе
Реализация процессов и потоков
Процессы и потоки имеют большее значение и являются более сложными, чем задания и волокна. Процесс создается другим процессом при помощи вызова интерфейса Win32 CreateProcess. Это
Загрузка Windows 2000
Прежде чем операционная система Windows 2000 сможет начать работу, она должна загрузиться. Процесс загрузки создает начальные процессы. С точки зрения аппаратного обеспечения, проц
Реализация управления памятью
В операционной системе Windows 2000 поддерживается подгружаемое по требованию одинарное линейное 4-гигабайтное адресное пространство для каждого процесса. Сегментация в любой форме не поддерживает
Реализация ввода-вывода в Windows 2000
Основная функция менеджера ввода-вывода заключается в создании каркаса, в котором могут работать различные устройства ввода-вывода. Структуру каркаса образуют набор независимых от
Файловые системы типа FAT
Операционная система Windows 2000 кроме новой файловой системы NTFS, разработанной специально для Windows NT, поддерживает несколько устаревших файловых систем типа FAT операционной системы MS-DOS.
Файловая система типа NTFS
Система NTFS (New Technology File System – файловая система новой технологии) представляет собой новую сложную файловую систему, разработанную специально для Windows NT и перенесен
Реализация защиты в Windows 2000
Защита в автономной системе Windows 2000 реализуется при помощи нескольких компонентов. Регистрацией в системе управляет программа winlogon, а аутентификацией занимаются I
Библиографический список
1. Андреев А. Г. и др. Microsoft Windows 2000 Server и Professio-nal / Под общ. ред. А.Н. Чекмарева и Д.Б. Вишнякова. – СПб.: БХВ – Петербург, 2001. – 1056 с.: ил.
2. Андр
Новости и инфо для студентов