Операционные системы

Операционные системы
Жуков Иван Валерьевич

Оглавление

1. Операционная система. 2

2. Определение понятий: вычислительный процесс и ресурс. 2

3. Классификация процессов и ресурсов. 2

4. Планирование процессов. 3

5. Виды состояния процесса. 3

6. Контекст процесса. 3

7. Алгоритмы планирования. 3

8. Что такое диспетчеризация. 4

9. Вытесняющая и не вытесняющая многозадачность. 4

10. Определение прерывания. Типы прерывания. 4

11. Этапы механизма прерывания. Главные функции механизма прерывания. 4

12. Дисциплины обслуживания маскируемых прерываний. 5

13. Супервизор прерываний. 5

14. Что такое гонки. 5

15. Критическая область программы. 5

16. Что такое блокирующие переменные. Спин блокировка, семафоры, мьютекс. 6

17. Что такое взаимные блокировки, как избежать взаимоблокировки. 6

18. Что такое монитор в ОС. 6

19. Что такое поток. 6

20. Многопоточность. Для чего используется. 7

21. Что такое символьные имена, виртуальные и физические адреса, перемещающий загрузчик. 7

22. Способы управления памятью. Фрагментация памяти. 7

23. Функции ОС по управлению памятью. 8

24. Способы распределения виртуальной памяти. Свопинг. 8

25. Кэширование информации. Пространственная и временная локальность данных в кэш памяти. 8

26. Байт устройства ввода/вывода. 9

27. Контроллер устройства. 9

28. Разделяемые устройства ввода/вывода. 9

29. Программное обеспечение ввода/вывода. Его функции. 9

30. Механизм прямого доступа внешних устройств к памяти. 10

 

Операционная система.

2. Определение понятий: вычислительный процесс и ресурс. Процесс – экземпляр выполняемый программой. Ресурс – любой потребляемый объект. В вычислительных машинах ресурсы выделяются процессом на определенный период…

Классификация процессов и ресурсов.

Интерактивные процессы(время существования определяется реакцией ВМ на запрос обслуживания и составляет секунды), реального времени(имеет гарантированное время окончания работы, время реакции составляет доли секунды).

Пакетные процессы (запускаются один за другим, время реакции составляет часы и более).

Пример ОС реального времени – циникс, используется в бортовых компьютерах, ядерных реакторах, больницах.

Генеалогический признак – процессы могут порождать другие процессы, быть родителем или потомком.

Ø По результативности: процессы могут иметь одинаковый результат, но разную реализацию.

Ø По времени развития: последовательные, параллельные, комбинированные.

Ø По месту развития(относительно ЦП): внутренние и внешние.

Ø По отношению к ОС: системные и пользовательские.

Ø По связности(процесс считает, что он один): могут быть связаны, могут не связаны, могут конкурировать.

Классификация ресурсов:

1. Признак реальности(физический и виртуальный).

2. По возможности расширения свойств.

3. По степени активности(влияют на другие ресурсы или не влияют).

4. По времени существования.

5. По степени важности.

6. По функциональной избыточности, при распределении(дорогие, но предоставляются быстро, или медленно, но дешевые).

7. По структуре.

8. По характеру использования.

9. По форме реализации(можно копировать или нельзя).

Планирование процессов.

Планирование процессов – распределение процессов между имеющимися ресурсами.

Занимается этим – подсистема управления процессами. Ее задачи: распределение процессорного времени между несколькими процессами, создание и уничтожение процессов, обеспечение процессов, необходимыми ресурсами, поддержание взаимодействия между процессами.

Виды состояния процесса.

2. Готовый – процесс ожидает освобождения ЦП и стоит в очереди готовых процессов. 3. Выполняемый – процесс выполняется в ЦП. 4. Ожидающий – процесс ожидает завершения какого-нибудь события, чаще всего операции ввода/вывода.

Контекст процесса.

Оперативная информация, относящаяся к самому процессу, называется дескриптором процесса: идентификатор процесса, степень привилегированности… Контекст процесса, необходимо запоминать(задача ОС) при прерывании процесса и…

Алгоритмы планирования.

За доступ и перемещение процесса в очереди и между очередями, ответственна специальная программа – планировщик. Делается все по специальным… Смена активного процесса, в случае алгоритмов, основанных на квантование,… 1. Процесс исчерпал квант отведенного времени.

Что такое диспетчеризация.

Диспетчеризация – многократное выделение процессу, процессорного времени в очереди готовых процессов и таким образом достигается внешний эффект, «одновременного» выполнения нескольких программ.

Вытесняющая и не вытесняющая многозадачность.

Не вытесняющая многозадачность – способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока сам не отдаст управление планировщику и планировщик выберет другой процесс на выполнение из очереди готовых процессов.

Вытесняющая многозадачность – способ планирования, при котором активный процесс выполняется, пока планировщик не примет решение о его смене.

Определение прерывания. Типы прерывания.

Типы прерывания: 1. Внешние (асинхронные, в терминах Intel маскируемые) прерывания – вызываются… 2. Внутренние (синхронные прерывания) прерывания – вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и…

Этапы механизма прерывания. Главные функции механизма прерывания.

1. Установление факта прерывания и идентификация прерывания. 2. Запоминание состояния прерванного процесса: счетчик команд, содержимое… 3. Передача управления подпрограмме обработки прерывания.

Дисциплины обслуживания маскируемых прерываний.

Приоритет – степень привилегированности. Сигналы на прерывание могут идти практически одновременно, или в момент… Существуют разные дисциплины обслуживания прерывания:

Супервизор прерываний.

Супервизор прерываний сохраняет в дескрипторе процессора рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого процесса, затем супервизор…  

Что такое гонки.

 

 

Критическая область программы.

 

Что такое блокирующие переменные. Спин блокировка, семафоры, мьютекс.

Недостаток блокирующих переменных: если ресурс занят, другой процесс, которому нужен этот ресурс будет выполнять действия по опросу этой переменной,… Необходимо блокировать процесс до его входа в критическую область. Введено понятие семафоров. Семафоры – тип переменных, значение которых может быть нулем или некоторым положительным…

Что такое взаимные блокировки, как избежать взаимоблокировки.

Способы избежание: 1. Взаимоблокировки могут быть предотвращены на стадии написания программ. … 2. Использование определенных правил при назначении ресурсов процессом. Пример: ресурсы назначаются в определенной…

Что такое монитор в ОС.

Монитор – набор процедур, переменных и структур данных, которые используются для написания корректных программ, а вызовы процедур монитора компилятор обрабатывает особым образом. Процессы могут вызывать процедуры монитора, но не имеют доступа к внутренним данным монитора и только один процесс может быть активным по отношению к монитору.

 

Что такое поток.

Потоки имеют только один свой ресурс – процессорное время. Остальные ресурсы имеют те же самые, что и основной процесс, то есть развиваются в том же…  

Многопоточность. Для чего используется.

Многопоточность обеспечивает возможность параллельного выполнения нескольких видов операций в одной прикладной программе. Программа, оформленная в виде нескольких потоков, выполняется быстрее за счет параллельного выполнения ее отдельных частей. Желательно уменьшать взаимодействие потоков между собой, чтобы исключить задержки от синхронизации и обмена данными.

 

Что такое символьные имена, виртуальные и физические адреса, перемещающий загрузчик.

Переход от виртуальных адресов к физическим, может осуществляться двумя способами: 1. Замену делает специальная системная программа – перемещающий загрузчик. … 2. Процесс загружается в память в неизменном виде, в виртуальных адресах, ОС фиксирует смещение действительного…

Способы управления памятью. Фрагментация памяти.

1. Выбрать свободный раздел для размещения выполняемого процесса. 2. Осуществить загрузку процесса и настройку адресов. Существенный… 2 способ:Распределение памяти разделами переменной величины. Сначала вся оперативная память свободна, затем каждому…

Функции ОС по управлению памятью.

Отслеживание свободной и занятой памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск и возвращение их в оперативную память, а так же настройка адресов на конкретную область физической памяти.

 

Способы распределения виртуальной памяти. Свопинг.

Задачи виртуальной памяти: 1. Размещение процессов в запоминающих устройствах разного типа. Пример:… 2. Перемещение процессов между запоминающими устройствами разного типа.

Кэширование информации. Пространственная и временная локальность данных в кэш памяти.

Кэш памятью, обычно называют быстрое из этих двух устройств. Под пространственной локальностью данных в кэш-памяти, понимается такой…  

Контроллер устройства.

Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например преобразует поток бит в блоки (состоящие из байт), осуществляет контроль и исправление…   28. Разделяемые устройства ввода/вывода

Механизм прямого доступа внешних устройств к памяти.

   

В чем разница между системой управления файлами и файловой системой.

Файловая система определяет способ организации данных на диске. Система управления файлами — основная система в ОС, через нее связываются по…  

Структура жесткого диска.

Накопитель на жестких дисках содержит один или более дисков. Группы дорожек одного радиуса на разных дисках называются цилиндром. Каждый сектор…    

Типы файлов.

1. Текстовые (файлы в кодах ASCII). Среди текстовых файлов могут быть файлы скрипты — это файлы определенного формата, а дальше команды на языке… 2. Исполняемые файлы — бинарные файлы определенного формата, которые… 3. Все остальные файлы, формат которых не понимает ОС.

Логическая и физическая организация файлов.

Физическая организация файла – описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти. Файл состоит из физических записей – блоков… В некоторых ОС кластер – наименьшая единица данных обмена с оперативной… Во многих файловых системах принята иерархическая организация файлов. Имена файлов объединяются в каталоги, каталоги…

Права доступа к файлу.

Категории прав доступа: 1. Избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам… 2. Мандатный доступ, когда система наделят пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому…

Уровни функционирования файловой системы.

1 уровень – символьный. Задача символьного уровня, является определение по символьному имени файла его уникального имени. 2 уровень – базовый. По уникальному имен и файла определяются характеристики:… 3 уровень – проверка прав доступа. Сравниваются полномочия процесса с списком разрешенных видов доступа к данному…

Ядро операционной системы.

Ядро операционной системы – программные модули, которые постоянно находятся в оперативной памяти для организации вычислительного процесса. А также… Бывает монолитное ядро ОС и ОС построенные на микроядре. Основные принципы построения ОС:

Структура монолитной ОС.

· Каждая процедура может вызывать другие ,когда это необходимо. · Каждая процедура имеет стандартизированный интерфейс в терминах параметров… · Для построения монолитной ОС, необходимо скомпилировать все необходимые процедуры, а затем связать их.

Микроядро. Модель клиент-сервер.

Сервер – поставщик ОС разделяется на несколько процессов-серверов, каждый из которых выполняет набор сервисных функций (создание, планирование… Клиент (компонент ОС или прикладная программа) запрашивает сервис, посылая… В действительности существует широкий спектр ОС с микро ядерным исполнением на одном крае спектра чистое микро ядро:…

Объектно-ориентированный подход. Инкапсуляция.

Функции объекта определяют перечень действий, которые могут быть выполнены над данными этого объекта. Объект клиент может обратится к другому… Внутренняя структура данных объекта скрыта от пользователя. Пользователь…  

Интерфейсы ОС.

Задачи системных и прикладных программных интерфейсов

1. Управление процессами (запросы на запуск, приостановку и снятие процесса; задание или изменение приоритета процесса; взаимодействие процессов между собой; удалённый вызов процедур).

2. Управление памятью (запросы на выделение, отображение файлов памяти).

3. Управление вводом/выводом (запросы на управление виртуальными устройствами; запросы к системе управления файлами.)

 

Интерфейс API.

API описывает совокупность функций и процедур, принадлежащих ядру или надстройкам ОС. И предоставляет разработчику набор функций, ориентированных на…

Обзор и историческое развитие ОС.

1. Семейство Unix систем. 2. Семейство Windows систем. Так же существую другие ОС написанные для различных специфичных процессоров, но в связи с тем, что процессоры Intel и…