Основные понятия и определения

Гадалов Александр Борисович.

 

Основные понятия и определения.

ОС – организованный набор программ и данных, обеспечивающий управление всеми ресурсами вычислительной системы (ВС) и предоставляющий прикладным программам операционную среду для их исполнения.

Операционная среда – это среда исполнения прикладных программ (определяет для каждого приложения множество команд процессора, модель адресации и логические структуры адресного пространства процессора, множество системы вызовов).

Основная задача ОС: сделать аппаратуру компьютера доступной и удобной для пользователя, обеспечить рациональное управление аппаратурой для достижения высокой производительности.

Функции:

1. определяет интерфейс пользователя
2. обеспечивает разделение аппаратуры между пользователем
3. дает возможность работать с общими данными в режиме коллективного пользования
4. планирует доступ пользователей к общим ресурсам
5. обеспечивает эффективное выполнение ввода/вывода
6. обеспечивает восстановление информации и вычислительного процесса в случае ошибок.

Процесс – абстракция, представляющая программу во время выполнения.

Примеры ресурсов: процессор, память, устройства ввода/вывода, данные. ОС взаимодействует с аппаратными средствами, программами, пользователи, программистами, администраторами.

Эволюция ОС.

 

Архитектура ОС.

сначала ОС были монолитными. При разработке мало внимания обращалось на структуру, сложность возрастала. Windows NT 3.5 содержала 4 млн строк. NT 4… Чтобы преодолеть эти проблемы стали использовать модульную структуру, которая… Ядро и вспомогательные модули ОС.

Микроядерная архитектура ЭВМ.

В ОС с классической архитектурой отсутствует механизм, с помощью которого одно приложение может вызывать функции другого. Совсем другая ситуация… Количество переключений контекста заметно увеличилась. Производительность… Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры.

Основные концепции управления ОС.

Процессор. Управление процессами.

Процессом является выполняемая программа, включающая текущие значения счетчика команд, регистров и переменных. Процесс потребляет такие ресурсы как:… 1. выполняется – процесс находится в состоянии выполнения, если в его… 2. готов – процесс находится в состоянии готовности, если он мог бы выполняться, если бы ему был доступен процессор …

Классификация ОС по признаку поддержки процессов и потоков.

1. однозадачная ОС рассчитаны на поддержку только одного процесса в каждый момент времени. Единственный процесс может иметь только один поток, программы могут запускаться только последовательно. Включают в себя средства управления периферией, средства управления файлами, средства общения с пользователем. В ходе выполнения процесса задача однозадачной ОС сводится к поддержке системных вызовов.

2. многозадачные ОС без поддержки многопоточности. Многозадачные ОС должны осуществлять управление разделением совместных ресурсов, в них всегда осуществляется переход исполнения между потоками разных процессов, для чего требуется переключения контекста процесса и потока. Смена исполняемого потока выполняется ядром, то есть при изменении потока предварительно происходит переключение в контекст ядра.

3. многозадачные ОС с поддержкой многопоточности. В таких ОС одному процессу могут принадлежать несколько потоков исполнения команд. Все потоки одного процесса разделяют его ресурсы, однако характеризуется собственным аппаратным контекстом. В такой системе может происходить переход исполнения от одного потока к другому того же процесса. В этом случае не требуется переключение контекста процесса. Соответственно такое переключение производится быстрее.

С точки зрения управления ресурсами пользователем каждого ресурса может являться либо процесс, либо поток.

 

6 марта 2012 г.

Управление задачами.

Во многих современных микропроцессорах, предназначенных для построения на их основе мощных мультипрограммных систем, имеются дескрипторы задач.… ОС выполняет следующие функции, связанные с управлением задачами: 1. создание/удаление задачи.

Планирование вычислительных процессов и стратегии планирования (обслуживания).

  Дисциплины диспетчеризации. Известно большое количество дисциплин, то есть правил формирования очереди готовых к выполнению задач, в соответствии…

Марта 2012 г.

Асинхронные параллельные процессы.

Ag a Par begin Оператор1; оператор2; …; операторN;

Семафоры.

Закрытие семафора соответствует захвату объекта или ресурса, доступ к которому контролируется этим семафором. Если объект захвачен, остальные… При отказе доступа к критическому ресурсу используется режим пассивного… Участки взаимоисключения обрамляются операциями P и V. Если одновременно несколько процессов попытаются выполнить V,…

Мониторы.

Хоар 1974 год. Монитор – это механизм организации параллелизма, который содержит как данные, так и процедуры, необходимые для динамического…

Тупики.

Основные направления научных исследований в области тупиков – это предотвращение тупиков, обход тупиков, обнаружение тупиков, восстановление после… Предотвращение тупиков. Полностью исключить любую возможность возникновения тупика, если обеспечить нарушение любого из условий возникновения…

Управление памятью.

Физическая память.

Основная память (оперативная) Быстродействующая память Регистры процессора

Связанное и несвязанное распределение памяти.

Свободная память Программа пользователя Операционная система

Виртуальная память.

Виртуализация осуществляется посредством 2 подходов: swapping (свопинг) – образы процессов перегружаются на диск и обратно целиком; virtual memory –… Концепция виртуальной памяти впервые была реализована в машине Atlas в 1960… Преобразование адреса виртуальной памяти в реальный адрес осуществляется по схеме:

Управление виртуальной памятью, стратегии управления.

Определяют, когда следует переписывать очередную страницу или сегмент в основную память. Существует 2 стратегии: по запросу и с упреждением.… Вталкивание с упреждением предполагает, что система пытается заблаговременно… Стратегии размещения.

Кэширование данных.

Кэш-память обладает большим быстродействием, чем основная память, однако стоит значительно дороже. Появилась кэш в 60 годах. Кэширование – это… 1. если кэширование применятся к ОП, то в качестве КЭШа использует… 2. если кэширование используется к дисковой памяти, то в этом случае роль кэш-памяти выполняют буферы в ОП, в которых…

Принцип действия кэш–памяти.

    Кэш не является адресуемой, поэтому поиск данных осуществляется по содержимому. Содержимое кэш представляет собой…

Ввод/вывод. Управление файлами и файловой системой.

Данные записываются на поверхностях магнитных дисков. На каждом магнитном диске размещены тонкие концентрические кольца – дорожки. На них…  

Логическая организация ФС.

– это организация, предназначенная для удобств пользователю. Для этого физическую структуру данных на диске подменяют некоторой удобной для… Атрибуты – информация, описывающая свойства файла. В разных ФС используются… Типы файлов.

Логическая организация файлов.

Если поддержка структур данных выполняется самим приложением, то файл с точки ФС представляется неструктурированной последовательностью (потоком)… Существуют различные схемы. Записи могут быть фиксированной или переменной…

Физическая организация ФС.

Непрерывное размещение. – файлу предоставляется последовательность кластеров, образующих непрерывный… Размещение файла в виде связного списка кластеров.

Права доступа к файлу.

Список операций доступа: 1. право на создание/уничтожение файла 2. открытие/закрытие файла

ОС Unix/Linux.

1 января 1970 года – дата рождения новой ОС. Unix написана на языке С, что позволяло изменять ОС. К 1977 году было установлено более 500 установок… С 1971 по 1989 год выпущено 10 версий системы Unix, и самой известной была… o CentOS, Debian, Fedora, Gentoo, Mandriva, Mint, openSUSE, Red Hat, Slackware, Upuntu

Имена файлов.

 

В ОС Linux имя файла начинается символом слеша. Длина имени может достигать 255 символов и состоит из букв, цифр, пробела. При выполнении операции имя, содержащее пробел, нужно заключать в кавычки. Например, /home/petr/howto.html, mkdir “My old files”. Различаются символы верхнего и нижнего регистров в именах файлов. Если точка является первым символом имени, то данный файл считается скрытым для некоторых команд.

Индексный дескриптор файла и жесткие ссылки.

Каждому файлу соответствует индексный дескриптор или inode, содержит в себе всю информацию о файле, включает информацию о расположении частей файла на носителе, о типе файла и другое. Индексные дескрипторы содержатся в таблице inode table, которая формируется при создании ФС на диске, каждый логический и физический диск имеет несколько таблиц индексных дескрипторов. Дескрипторы пронумерованы последовательно, и именно номер дескриптора является истинным именем файла (индекс файла). Таким образом, имя файла в Linux является ссылкой на индексный дескриптор, поэтому каждый файл может иметь сколько угодно разных имен, эти имена называют жесткими ссылками. После создания отличить их невозможно. Когда удаляется файл, имеющий несколько разных имен жестких ссылок, то фактически удаляется только одна ссылка, указанная в команде удаления. Файл сохраняется до тех пор, пока имеется хотя бы одно имя ссылки. Для того чтобы дать имя, необходимо выполнить команду ln имя_существующего_файла новое_имя.

Например, ln /home/petr/HOWTO/howto.html ~/howto.html.

ls –l – выводит информацию о файлах, содержащихся в каталоге.

ls –l /home/petr/HOWTO

rw–r––r– – 3 student users 123 May 11 9:50 howto.html.

Права доступа.

Права доступа к файлу, которые имеют владелец и остальные пользователи, определяют 9 битов. Если стоит знак –, то это означает отсутствие такого права. Первые 3 бита – для владельца, следующие – для группы, к которой принадлежит владелец, последние 3 бита – остальные пользователи. Если в начале стоит символ d, то файл является каталогом. Для того чтобы изменить права доступа, используют команду chmod. Для права чтения – 4, для записи – 2, для выполнения –1.

Например, chmod 777 – открывают полные права доступа для всех.

chmod 755 – rwx r–x r–x – такая комбинация устанавливается для нового каталога.

chmod 644 – rw– r–– r–– – для вновь созданного файла по умолчанию устанавливается такая комбинация.

chmod –R – права доступа изменяются рекурсивно.

Типы файлов.

Создание и монтирование ФС.

ФС представляется в виде дерева. Общее дерево формируется из отдельных ветвей, соответствующих отдельным носителям. При этом на носителям могут… Три действия: 1. создать ФС на носителе – производится с помощью команды mkfs –t тип_ФС, устройство. Например, mkfs –t ext4 /dev/sd…

Структура ФС ext2fs.

Структура дискового раздела.

Создание ФС сопровождается созданием логической структуры: загрузчик – группа_блоков1 – … – группа_блоковN. Загрузочная область создается в любой ФС, на первичном разделе загрузчик содержит фрагмент кода, который инициализирует процесс загрузки ОС. На других разделах эта область не используется. Все остальное пространство делится на блоки, блок может иметь размеры от 1 до 4 Кб, является адресуемой единицей дискового пространства, место под файлы выделяется целыми блоками. Блоки объединяются в группы блоков, которые нумеруются с единицы. В свою очередь каждая группа имеет следующее строение: суперблок – описатель_группы_блоков – битовая_карта_блоков – битовая_карта_индексных_дескрипторов – таблица_индексных_дескрипторов – область_блоков_данных.

Суперблок хранится в первом блоке каждой группы, является начальной точкой ФС, имеет размер – 1024 байт. Обычно копии суперблока содержатся в нескольких местах диска, поскольку информация, хранящаяся в нем, критически важна для всей ФС. Информация суперблока используется для организации доступа к остальным данным на диске, в суперблоке определяется размер ФС (число индексных дескрипторов, число блоков в ФС), содержится максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства, размер логического блока, информация о том, где искать незанятые участки и т.д. При запуске ОС суперблок считывается в память, в процессе работы модифицируется, а записывается на диск только периодически. Это позволяет повысить производительность системы.

Описатель группы блоков. Его информация используется для того, чтобы найти битовые карты блоков, индексных дескрипторов, а также таблицу индексных дескрипторов.

Битовая карта блоков – структура каждой бит которой показывает отведенный соответствующему блоку файл. Карта служит для поиска свободных блоков.

Битовая карта индексных дескрипторов выполняет аналогичную функцию по отношению к таблице индексных дескрипторов.

Таблица индексных дескрипторов служит для хранения индексных дескрипторов.

Область блоков данных – всё оставшееся место.

Индексные дескрипторы файлы и системы адресации файлов.

I_block служит для адреса блока, занимаемого файлом. Представляет из себя массив из 15 адресов блоков. Первые 12 адресов содержат прямые ссылки на…

Структура системы и ядро классической Unix.

Эти ОС имеют монолитные ядра. Классическая Unix 7 представляет собой двухуровневую ОС, в центре которой ядро, вокруг которого находятся: системные услуги (init, inetd, routed, getty (терминал), lp (принтер), сс (система разработки), XDesktop shell (пользователь)) и приложения. Ядро предоставляет базовые услуги.

Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратурой, имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам. К услугам ядра относятся операции ввода/вывода, создание и управление процессами, их синхронизация и межпроцессорное взаимодействие. Все приложения запрашивают услуги ядра посредством системных вывозов.

Приложения, как системные, определяющие функциональность системы, так и прикладные, обеспечивающие пользовательский интерфейс, составляют второй уровень.

 

Init отвечает за инициализацию системы, swapper – за перемещение процессов между физической памятью и диском.

Интерфейс системного вызова позволяет процессам обращаться с запросами на услуги ОС.

Модули символьного и блочного ввода/вывода, драйверы устройств используются при реализации ФС и для доступа к устройствам.

Буферный кэш отвечает за кэширование данных, над которыми выполняются блочные операции ввода/вывода, повышает производительность системы.

ФС управляет иерархическим пространством имен файлов, каталогов и устройств ввода/вывода.

Модуль управления памятью поддерживает виртуальную память.

Модуль управления процессами отвечает за создание и планирование процессов, прекращение их работы и поддержку базовых средств их взаимодействия.

Управление процессами.

Когда пользовательскому процессу требуется выполнить системную функцию, он делает системный вызов. С этого момента процесс считается системным.… Ядро Unix всегда находится по одним и тем адресам, диспетчер блокирует их,… Сегмент текста содержит машинные команды, представляющие текст программ, создается компилятором при трансляции с ЯПВУ,…

ОС Windows.

История.

Windows 95, 98, ME. Windows NT, 2000, XP, 2003, Vista, 2008, 7, 2008 R2.  

Структура ОС Windows.

В ОС существует компоненты, которые работают как в режиме ядра, так и в режиме пользователя. Упрощенная схема ОС Windows.     Режим пользователя …  

Подсистема win32.

При вызове приложений одной из win32-функций может возникнуть одна из 3 ситуаций:   Функция полностью выполняется внутри библиотеки. Для выполнения функции привлекается сервис csrss.exe. …

Объекты, менеджер объектов.

Объекты – это абстрактная концепция, которая активно используется Windows для…

Объекты ядра.

Над объектами ядра находятся объекты исполнительной системы, каждый из которых инкапсулирует один или несколько объектов ядра. Они предназначены для… Внешние отличия объектов ядра от user и gdi состоит в наличии атрибутов… Объект представляет собой блок памяти в виртуальном адресном пространстве и содержит информацию об объекте в виде…

Структура объектов.

Тело объекта специфично для каждого типа объекта и содержит данные объекта. Методы вызываются диспетчером объектов при создании и уничтожении объекта, при…

Описатели объектов.

Именование объектов.

У каждого объекта есть имя для поиска и установки прав доступа. Пространство имен объектов, как и пространство имен реестров и файлов, организовано в виде дерева. В качестве вершины используется объект «каталог объектов» – включает информацию, необходимую для трансляции имен объектов и указателей на сами объекты.

Совместное использование объектов.

Другим способом получения доступа к существующему объекту является наследование дочерним процессом объектов родительского процесса. Наконец, можно осуществить дублирование описателя с помощью функции Duplicate Handle. Система управляет объектами «файл» отлично ото всех других.

Реестр.

Начиная с Windows 95, появился реестр данных. Реестр – централизованная общесистемная база данных. Для просмотра, модификации данных реестра используются встроенные утилиты, например regedit. Данные реестра хранятся в виде иерархической древовидной структуры, при этом каждый узел называется разделом или ключом. Названия верхних уровней начинаются с символов HKEY. В разделе могут содержаться подразделы. Записи, находящиеся в нижнем разделе, называются параметрами. В реестре содержится 6 корневых разделов:

1. HKEY_CURRENT_USER
2. HKEY_USERS
3. HKEY_CLASSES_ROOT
4. HKEY_LOCAL_MACHINE
5. HKEY_CURRENT_CONFIG
6. HKEY_PERFOMANCE_DATA

Наиболее главным является четвертый раздел.

Пространство имен реестра интегрировано с общим пространством имен ядра. Реестр хранится на диске в виде файлов, которые называются кустами или ульями. Большинство файлов находится в каталоге SystemRoot/System32/config. Большое значение уделяется повышению надежности хранения, для этого ведется протокол модификации кустов. Кроме того используются зеркальные копии критически важных узлов. Описатели кустов можно посмотреть с помощью утилиты handleex.exe, данные доступны через win32-функции. Например, с помощью функции RegOpenKeyEx можно открыть раздел реестра.

 

29 мая 2012 г.

ФС NTFS.

  Диски разбиваются на блоки размером 512 байт. Принято работать с блоками более крупного размера – кластерами. Размер…

Поиск файлов по имени.

Реализуется с помощью API-функций. Процесс поиска:

Точки повторного анализа.

Монтирование. С помощью этой операции включается новая ФС в существующую. Монтирование базовых ФС происходит при первом обращении к диску и делается… Создание связей. ОС Windows поддерживает 2 типа связей: жесткие и…

Совместный доступ к файлу.

Для того, чтобы его организовать, нужен «открытый файл» – ссылка на файл, не содержащая данных. Для совместного доступа необходима синхронизация. В Windows используются 2 функции: LockFale, UnlockFile.

Производительность ФС.

Уменьшение количества обращений к диску. Производится с помощью кэширования. Кэширование производится в ОП, необходимо синхронизировать кэш с данными на диске. Кэш работает на более высоком уровне, чем ФС.

 

Подобная организация позволяет системе поддерживать единый централизованный кэш для всех ФС, а ФС не обязаны управлять своим КЭШем.

Надежность ФС.

Поддержка нескольких ФС.

Список зарегистрированных ФС можно увидеть с помощью утилиты WinObj. Код, реализующий функциональность ФС, входит в состав драйвера.