Системне програмне забезпечення

Системне програмне забезпечення

 

 

Тема 1: Вступ. Мета та задачі курсу.

System Software – означає програми та комплекси програм, які є спільними для всіх, хто використовує технічні засоби комп’ютера і які застосовуються,… 1. Операційні системи. 2. Системи програмування.

Типи операційних систем

1. Класифікація, за кількістю користувачів, які одночасно обслуговуються ОС: Одно програмна — забезпечує роботу одної задачі одного користувача. Мульти (багато) програмна — дозволяє одночасно виконувати декілька програм одного користувача.

Тема 2: Процеси.

Керування процесами

1. Він є носієм даних; 2. Виконує операції, пов’язані з обробкою цих даних. Процесом може бути:

Блок керування процесом

Для того, щоби ОС могла керувати процесами, вона повинна володіти всією необхідною інформацією. Для цього для кожного процесу створюється спеціальна інформаційна структура, яка називається – блоком керування процесом (Program Control Block, PCB), або дескриптором процесу, або описувачем задачі. В загальному випадку РСВ вміщує таку інформацію:

1. Ідентифікатор процесу (PID – process identifier).

2. Тип (або клас) процесу, який визначає для ОС деякі правила надання ресурсів.

3. Пріоритет процесу, відповідно до якого ОС надає ресурси. В рамках одного класу процесів у першу чергу обслуговуються процеси з вищим пріоритетом.

4. Змінну стану, яка визначає, в якому стані знаходиться процес (стані готовності, стані виконання, стані блокування).

5. Адресу захищеної ділянки пам’яті, в якій зберігаються біжучі значення регістрів процесора, якщо процес призупиняється (або переривається) не завершивши роботи. Ця інформація називається контекстом задачі.

6. Інформація про ресурси, якими володіє процес або має право користуватись.

7. Адреса місця для організації спілкування з іншими процесами.

8. Параметри часу запуску (момент часу, коли процес повинен активізуватись та періодичність цієї процедури).

9. Для диск–резидентних задач, які постійно знаходяться у зовнішній пам’яті і завантажуються в основну пам’ять тільки на час виконання зберігається адреса задачі на диску в її вихідному стані.

РСВ, як правило, з метою пришвидшення роботи ОС постійно розташовані в основній пам’яті. ОС організовує їх у черги, в залежності від змінної стану переносить процеси з черги в чергу. Для кожного стану ОС підтримує список процесів, що знаходяться в цьому стані.

Таким чином, РСВ – це об’єкт, який визначає процес для ОС.

Операції над процесами

- створення; - знищення; - відновлення;

Обробка переривань

Механізм переривань реалізується апаратно програмним забезпеченням. Структура систем переривань може бути різноманітною (в залежності від…  

Лекція 4: Ядро операційної системи

Усі операції, що пов’язані з процесами, виконуються під керуванням ядра. Ядро – невелика частина ОС, але вона відноситься до найбільш інтенсивно… З цієї причини ядро, зазвичай, резидентно розміщено в оперативній пам’яті, в… Одною з найважливіших операцій ядра є обробка переривань. У великих, багато абонентських системах у процесор надходить…

Основні функції ядра

- обробка переривань; - створення та знищення процесів; - перемикання процесів зі стану в стан;

Асинхронні паралельні процеси

Зменшення габаритів та вартості апаратури комп’ютерів сприяють подальшому розвитку багато процесорних систем і, як кінцевий результат, реалізацію… Паралельні процеси можуть бути повністю незалежними або взаємодіючими. Останні… Як правило, найчастіше маємо справу з паралельними процесами, яким необхідно час від часу синхронізуватися та…

Взаємо-виключення

Якщо процес звертається до даних, що розділяються, то цей процес знаходиться у своїй критичній ділянці коду (або в критичній секції). Для всіх інших… Процес повинен проходити свою критичну ділянку якнайшвидше. Він не повинен…  

Begin

While правда do begin

П1хочезайти := правда;

while П2хочезайти do begin { зовнішній цикл очікування }

If вибранийпроцес = другий then begin

П1хочезайти := неправда;

While вибранийпроцес = другий do

П1хочезайти := правда; { внутрішній цикл очікування }

end;

end;

 

{ початок критичної ділянки П1}

вибранийпроцес := другий;

П1хочезайти := неправда;

 

... { оператори критичної ділянки П1}

 

{ кінець критичної ділянки П1}

end;

end;

 

procedure Процес2

Begin

While правда do begin

П2хочезайти := правда;

while П1хочезайти do begin { зовнішній цикл очікування }

If вибранийпроцес = другий then begin

П2хочезайти := неправда;

While вибранийпроцес = перший do

П2хочезайти := правда; { внутрішній цикл очікування }

end;

end;

 

{ початок критичної ділянки П2}

вибранийпроцес := перший;

П2хочезайти := неправда;

 

... { оператори критичної ділянки П2}

 

{ кінець критичної ділянки П2}

end;

end;

 

{ основна програма }

Begin

П1хочезайти := неправда;

П2хочезайти := неправда;

вибранийпроцес := перший;

Parbegin

Процес1;

Процес2;

Parend

end;

 

1. Процес П1 повідомляє про бажання увійти в свою критичну ділянку. Встановлює свій прапорець.

2. Процес П1 переходить до циклу, в якому перевіряє чи процес П2 не хоче також увійти у свою критичну ділянку коду.

3. Якщо, прапорець процесу П2 не встановлений, то П1 пропускає тіло циклу очікування та заходить у свою критичну ділянку.

4. Допускаємо, що П1 при виконанні циклу перевірки виявив, що прапорець П2 встановлено. Це примушує П1 увійти в тіло циклу очікування.

5. Аналізується значення змінної „вибраний процес”, яка використовується для вирішення конфліктів, які виникають у випадку, коли два процеси хочуть одночасно увійти в свої критичні ділянки.

6. Якщо, „вибраний процес” – П1, то він повторно виконує тіло свого циклу очікування моменту коли П2 скине свій прапорець.

7. Якщо, процес П1 виявляє, що „вибраний процес” (має право переваги) – П2, то він заходить у тіло свого циклу та скидає власний прапорець, а потім блокується у циклі доти, поки „вибраним процесом” залишається П2. Скидаючи свій прапорець П1 дає можливість П2 зайти у свою критичну ділянку.

8. З часом П2 вийде із своєї критичної ділянки і виконає оператор „вихід із взаємо-виключення”. Цей оператор забезпечує повернення права переваги процесу П1 і скидання прапорця П2.

9. Тепер у П1 з’являється можливість вийти із внутрішнього циклу очікування і встановити власний прапорець. Потім П1 виконує зовнішній цикл перевірки. Якщо, прапорець П2 (який, тільки що був скинутий) і далі скинутий, то П1 заходить у свою критичну ділянку.

10. Якщо П2 одразу ж намагається знову увійти в критичну ділянку, то його прапорець буде встановлений і П1 знову необхідно буде увійти в тіло зовнішнього циклу.

11. Але у цьому випадку керування вже знаходиться в П1, оскільки зараз саме він є „вибраним процесом”. Зауважимо, що П1 виходячи зі своєї критичної ділянки присвоїв змінній „вибраний процес” значення 1. Тому, П1 тіло конструкції if та виконує зовнішній цикл перевірки, доки П2 не скине власний прапорець, дозволивши П1 зайти у свою критичну ділянку.

Розглянемо цікаву деталь. Коли, П1 виходить із внутрішнього циклу активного очікування, він може втратити центральний процесор, а П2 в той час пройде свій цикл і знову буде намагатися увійти в свою критичну ділянку. При цьому П2 першим встановить свій прапорець і знову увійде в свою критичну ділянку.

Коли, П1 знову отримає у своє розпорядження процесор, він встановить свій прапорець. Оскільки зараз буде черга процесу П1, то П2 (якщо він знову буде намагатися увійти в свою критичну ділянку) буде вимушений скинути свій прапорець і перейти на внутрішній цикл активного очікування. Так що, П1отримає можливість входу в свою критичну ділянку.

У такий спосіб вирішується проблема безмежного відкладення.

Програмне вирішення проблеми реалізації примітивів взаємо-виключення для N процесів вдосконалив Д.Кнут, виключивши можливість безмежного відкладення процесів. Ейзенберг та Макчаєр запропонували рішення яке гарантує, що процес заходитиме у свою критичну ділянку не більше ніж за N – 1 спробу.

 

Семафори

Семафор – це захищена змінна, значення якої можна читати та змінювати тільки за допомогою операцій P та V, а також операції ініціалізації. Двійкові семафори можуть приймати тільки значення 0 та 1. Рахункові семафори… Операція P над семафором S записується як P(S) і виконується наступним чином:

Монітор

Потреба увійти в монітор у різні моменти часу може виникати у багатьох процесів. Але вхід у монітор знаходиться під жорстким контролем – тут… Внутрішні дані монітору можуть бути або глобальними (відносяться до усіх… Якщо процес звертається до деякої процедури монітору і виявляється, що відповідний ресурс вже зайнято, то ця процедура…

Begin

If ресурс_зайнято then

wait(ресурс_звільнено);

ресурс_звільнено := правда;

end;

 

procedure Звільнити_ресурс;

Begin

ресурс_зайнято := неправда;

signal(ресурс_звільнено);

end;

 

Begin

ресурс_зайнято := неправда;

end;

 

Перевага такого монітору в тому, що він може працювати за аналогією до двійкового семафору:

„захопити ресурс” = P – оператор;

„звільнити ресурс” = V – оператор.

Тому монітори, як мінімум, мають таку ж логічну потужність, як і семафори.

Сучасні операційні системи будуються, як правило у вигляді множини асинхронних паралельних процесів, які працюють під керуванням ядра.

Процеси, що організовують паралельні роботи, виконуються незалежно, але вимагають періодичної взаємодії. Тому необхідні засоби для обміну даними між процесами. Одним із таких засобів є кільцевий буфер. Він застосовується в тих випадках, коли процес-виконавець повинен передати дані процесу-споживачу.

Кільцевий буфер

Виконавцю іноді потрібно передати дані в той час як споживач ще неготовий їх прийняти. Споживач іноді намагається отримати дані які виконавець ще не… За допомогою монітору процес виконавець, виявивши, що буфер заповнено очікує… В ОС часто передбачається виділення деякої фіксованої кількості комірок пам’яті дляристання в ролі буферу. Цей буфер…

Тупики

У багатопрограмній системі процес знаходиться в стані тупику, дідлоку (deadlock) або клінчу (clinch), якщо він очікує деякої події, яка ніколи не відбудеться.

Системна тупикова ситуація, чи „зависання” системи – це ситуація, коли один чи кілька процесів знаходяться у стані тупику (клінчу).

Одна із основних функцій ОС – розподілення ресурсів. Коли ресурси розподіляються поміж багатьма користувачами, кожному з яких надається право виключного керування виділеними йому ресурсами, можливе виникнення тупиків, які не дають процесам деяких користувачів хоч коли-небудь завершитися.

У більшості випадків в ОС тупики виникають у результаті звичайної конкуренції за право мати в розпорядженні певні ресурси (як правило, це ресурси послідовного використання).

 

Розглянемо таку ситуацію. Двом процесам, що працюють в багато-задачній системі, для виконання своєї роботи потрібні два ресурси, наприклад Друкарка та Диск.

Нехай після того як процес А захопив Друкарку (встановив блокуючи змінну) він був перерваний. Керування отримав процес В, який спочатку захопив Диск, але при виконанні наступної команди (захоплення Друкарки) був заблокований, так як Друкарка вже захоплена процесом А. Керування знову повертається процесу А, який пробує захопити Диск та блокується, оскільки Диск вже виділений процесу В. І в такому стані процеси А та В можуть знаходитися безмежно довго.

 

 

Можливі такі варіанти уникнення тупику:

 

 

 

Тупикові ситуації треба відрізняти від звичайних черг, хоча і ті і інші виникають при сумісному використанні ресурсів і зовні виглядають подібно: процес призупиняється та очікує звільнення ресурсу. Але черга – це нормальне явище, ознака високого коефіцієнту використання ресурсів при випадковому надходженні запитів. Вона виникає тоді, коли ресурс є недоступним у біжучий момент, але через деякий час він звільниться і процес продовжить своє виконання.

Тупик, навпаки, в деякому розумінні є ситуацією, що не розв’язується. Звичайна тупикова ситуація. Кожен з процесів утримує ресурс, якого потребує інший процес. Причому ні один з процесів не хоче звільнити ресурс, що належить йому. Кожен з процесів очікує звільнення ресурсу іншим процесом.

Для виникнення тупику необхідні наступні умови:

1) процеси вимагають надання їм права монопольного керування ресурсами, що їм виділяються (умова взаємо-виключення);

2) процеси утримують за собою ресурси, які їм виділені, очікуючи в той же час виділення додаткових ресурсів (умова очікування ресурсів);

3) ресурси неможливо відібрати у процесів (які їх утримують) доки ці ресурси не будуть використані для завершення роботи (умова неможливості перерозподілу);

4) існує кільцевий ланцюг процесів, у якому кожен процес утримує за собою один чи декілька ресурсів, що погрібні наступному процесові з ланцюжка (умова кільцевого очікування);

Виникнення тупику неможливе, коли не виконується хоча б одна із перелічених чотирьох умов. Стратегія боротьби з тупиками полягає в тому, щоб усунути хоча б одну із зазначених умов існування тупику.

Алгоритми планування процесів

1) Вибір моменту часу для заміни процесу, що виконується. 2) Вибір процесу на виконання з черги готових процесів. 3) Переключення контекстів „старих” і „нових” процесів.

Витісняючі та невитісняючі алгоритми планування

Non-preemptive multitasking — невитісняюча багатозадачність — це спосіб планування процесів, при якому активний процес виконується до того часу,… Preemptive multitasking — витісняючи багатозадачність — це такий спосіб, при… Типи багатозадачності — це більш широкі поняття ніж типи пріоритетності. Пріоритети задач можуть використовуватись або…

Висновки

Головне, що забезпечують нитки, це можливість паралельно виконувати декілька видів операцій в одній прикладній програмі. Паралельні обчислення, а значить і більш ефективне використання ресурсів CPU та менший сумарний час виконання задач, тепер вже реалізується на рівні ниток. Програма, побудована у вигляді ниток в рамках одного процесу, може бути виконана швидше.

Наприклад: Текстовий процесор з врахуванням багато-ниткової (багато-потокової) обробки. Користувач може запросити об’єднання двох документів і одночасно відкривати для редагування наступний документ.

Об’єкт „процес” припускає, що при диспетчеризації треба враховувати всі ресурси, що закріплені за процесом. А при роботі з нитками можна міняти тільки контекст задачі, якщо ми переключаємось з однієї нитки на іншу в рамках одного процесу. Всі інші обчислювальні ресурси при цьому не торкаються. Кожний процес складається, як мінімум, з однієї нитки і тільки якщо є внутрішній паралелізм, програміст може розщепити його на декілька паралельних ниток.

В багатопроцесорних системах зі спільною пам’яттю нитки вже просто необхідні, оскільки вони дозволяють завантажити всі процесорні елементи роботою. Але зауважимо, що бажано зменшити взаємодію ниток між собою, оскільки прискорення від одночасного виконання паралельних потоків може бути зведено до мінімуму через затримки синхронізації і обмін даними.

Для того, щоби можна було ефективно організувати паралельне виконання як процесів, так і ниток, в архітектуру сучасних процесорів включається можливість працювати із спеціальною інформаційною структурою, яка описує або процес або нитку. Для цього на рівні архітектури мікропроцесора використовується поняття „задача” — task. Воно об’єднує в собі як процес, так і нитку.

Це поняття і інформаційна структура, яка підтримується для нього на рівні апаратури, дозволяє в подальшому побудувати відповідні дескриптори. Вони будуть відрізнятись перш за все тим, що:

- дескриптор нитки може зберігати тільки контекст призупиненого обчислювального процесу;

- дескриптор процесу повинен вміщувати поля, які описують всі ресурси, які виділені цьому процесові.

 

Лекція 5. Керування ресурсами

 

Найважливіші ресурси — це пам’ять та процесор (тобто процесорний час).

 

Керування пам’яттю

Організація та керування основною, або первинною, або фізичною (реальною) пам’яттю комп’ютера — один з найважливіших факторів, що визначає побудову операційних систем.

Для безпосереднього виконання програм або звертання до даних необхідно, щоб вони розміщались в основній пам’яті. Вторинна, або зовнішня пам’ять — це, як правило, накопичувачі на магнітних дисках, магнітних стрічках — мають значно більшу ємність, і дозволяють зберігати велику кількість програм і даних, готових до обробки.

Ієрархія пам’яті

Під організацією пам’яті ми розуміємо те яким чином представляється та використовується основна пам’ять. При цьому виникають такі питання: 1) розміщаємо в основній пам’яті тільки одну програму користувача або декілька… 2) при розміщенні в основній пам’яті декількох програм користувачів відразу, їм надається однакова кількість комірок,…

Розподіл пам’яті

В перших комп’ютерах було реалізовано зв’язний розподіл пам’яті — в одному неперервному блоці комірок пам’яті. Тільки після того, як з’явилось мультипрограмування з розділами змінного розміру стало зрозумілим, що значно більш ефективним може бути незв’язний розподіл.

При незв’язаному розподілі пам’яті, програми розбиваються на декілька блоків або сегментів, які розміщуються в основній пам’яті в ділянках які не обов’язково розташовані поряд.

ОС набагато складніше забезпечити незв’язаний розподіл пам’яті, але подібний підхід має важливу перевагу: якщо основна пам’ять має декілька невеликих вільних ділянок замість одного великого, то ОС все ж таки може завантажити та виконати програму, якій в іншому випадку треба було б чекати.

Зв’язний розподіл пам’яті для одного користувача

Кожному користувачу виділяється неперервний сегмент пам’яті. Розмір програм у звичайному випадку обмежується ємністю основної пам’яті, але існує можливість виконання програм, які перевищують за розміром основну пам’ять. Це досягається за допомогою концепції оверлейних сегментів. На рисунку приведено розподіл пам’яті для програми користувача, якій необхідно виділити більший об’єм пам’яті, ніж існуюча ємність ОП.

 

 

 

Мультипрограмування з фіксованими розділами

При використанні абсолютних адрес, у кожному розділі розміщується одне завдання. ЦП швидко переключається з завдання на завдання, створюючи ілюзію… Трансляція завдань виконується за допомогою асемблерів та компіляторів в… Переміщаючі компілятори асемблери та завантажувачі створюють модулі, що можуть працювати в довільному розділі.

Мультипрограмування із змінними розділами

Але яка завгодно схема організації пам’яті дає певні втрати. В цій схемі втрати виникають тоді, коли завдання починають закінчуватись, а в основній… Часто буває так, що в усій основній пам’яті залишаються розкиданими окремі… ОС обирає всі блоки в роботі разом, залишаючи вільну пам’ять у вигляді одної великої ділянки.

Боротьба з фрагментацією

Розділи, що переміщаються. Це один з методів боротьби з фрагментацією, коли всі заняті ділянки переміщуються або в сторону молодших адрес, або… Тобто ОС ще повинна час від часу копіювати вміст розділів з одного місця… В першому випадку треба меншої обчислювальної роботи при коректуванні таблиць, а в другому — не так часто виконується…

Стратегії розміщення інформації в пам’яті

2. Стратегія першого відповідного. Завдання розміщується в першу ліпшу вільну ділянку основної пам’яті достатнього розмір. (Швидкість). 3. Стратегія найменш відповідного. Завдання розміщується у вільну ділянку, що… Третя стратегія має наступне обґрунтування. Після розміщення програми в найбільш вільну ділянку, вільна ділянка, що…

Системи з розподілом часу. Сторінкова організація пам’яті. Концепція віртуальної (уявної) пам’яті.

Ті адреси, на які робить посилання процес, що виконується, називаються віртуальними адресами, а ті, що існують в первинній пам’яті, - називаються… Діапазон реальних адрес, що існують в конкретному комп’ютері, називаються… Незважаючи на те, що процеси звертаються тільки до віртуальних адрес, в дійсності вони повинні працювати з реальною…

Принцип кешування даних

   

Керування процесорами

Планування на верхньому рівні або планування завдань. Засоби цього рівня визначають, яким завданням буде дозволено активно конкурувати за захоплення…  

Планування з переключення та без переключення

Планування з переключенням необхідно в системах, в яких процеси високого пріоритету вимагають негайної уваги. Наприклад: Якщо в системах реального часу пропаде хоча б один важливий сигнал… В системах без переключення, коротким завданням треба більше чекати через виконання тривалих завдань, але для всіх…

Лекція 6. Керування даними

Файлова система

відкрити (open) – підготовляє файл до звертання; закрити (close) – забороняє подальше звертання до файлу, доки він не буде… створити (create) – забезпечує формування нового файлу;

Функції файлової системи

1. Користувачу повинна надаватись можливість створювати, модифікувати та знищувати файли. 2. Користувачам повинна надаватись можливість розділяти, тобто колективно… 3. Механізм для розділення (колективного користування) файлів повинен передбачати різні варіанти контрольованого…

Ієрархія даних

Наступний рівень – байти –– це символи, що мають фіксовану довжину в бітах. Зараз найбільш розповсюджений варіант байту – 8 бітів. 28 – 256… Наприклад: - цифрові символи: ‘0’…’9’;

Об’єднання в блоки та буферизація

Логічний запис – це сукупність даних, яка розглядається як одне ціле. Якщо кожний фізичний запис вміщує тільки один логічний запис, то такий файл… Якщо кожний фізичний запис може вміщувати декілька логічних, то такий файл складається з записів, об’єднаних в блоки,…

Організація файлів

1. Послідовна. Записи розташовуються у фізичному порядку. „Наступний” запис – це запис, який фізично іде слідом за попереднім. Така організація… 2. Індексно–послідовна. Записи розташовуються в логічній послідовності у… 3. Пряма. Доступ до записів відбувається прямо (довільно) за їх фізичними адресами на запам’ятовуючому пристрої…

Методи доступу

Виділяють дві категорії МД: - метод доступу з чергами (queued access method, QAM); - базисні методи доступу.(basic access method, BAM).

Характеристики файлів

Для файлів, як правило, вказують такі характеристики:

1. Змінність. Ця характеристика пов’язана з тим, як часто заносяться у файл нові записи, та вилучаються старі. Коли ця частота мала, файл називається статичним, велика – динамічним або змінним файлом.

2. Активність. Визначається процентом записів файлів, що обробляються за час якогось періоду роботи з пам’яттю.

3. Розмір. Визначає кількість інформації, що зберігається у файлі.

Файлова система

1. Методи доступу. Визначають конкретну організацію доступу до даних, що зберігаються у файлах. 2. Засоби керування файлами. Забезпечують зберігання файлів, звертання до них,… 3. Засоби керування зовнішньою пам’яттю. Забезпечують розподіл простору зовнішньої пам’яті для розміщення файлів.

Виділення та звільнення місця в пам’яті

Якщо бажано розміщувати файли в сусідніх ділянках дискової пам’яті, то ці ділянки необхідно зібрати разом. Але, оскільки, в процесі роботи системи… Один із можливих способів розв’язку цієї проблеми полягає в тому, щоб… При створені ефективної файлової системи необхідно чітко уявляти собі, який контингент користувачів вона буде…

Зв’язаний розподіл пам’яті

Позитивним в такому розподілі є те, що послідовні логічні записи розміщуються, як правило, фізично поруч. Це підвищує швидкість доступу. Каталоги файлів у системах із зв’язаним розподілом розміщаються досить просто.… Зв’язаний розподіл має і певні недоліки. Коли файли знищуються, простір, який вони займають, повертається в список…

Незв’язаний розподіл пам’яті

  1) Розподіл за допомогою списків секторів Дискова пам’ять розглядається як набір індивідуальних секторів. Файли складаються з секторів, які можуть знаходитись в…

Матриця керування доступом

    Файл Користувач   …   Елемент Ai j приймає значення 1, якщо користувачу і дозволяється доступ до файлу j; в протилежному випадку Ai j = 0. …

Керування доступом в залежності від класів користувачів

Матриця може бути такою великою, що реалізувати її практично неможливо. Існує спосіб, що вимагає значно менше місця в пам'яті системи – це керування доступом до файлів в залежності від класів користувачів. Звичайна класифікація передбачає такі категорії:

“Власник” – це користувач, який створив даний файл;

“Вказаний, допущений користувач” - власник файлу вказує, що з його файлом може працювати інша людина;

“Група” або “Проект”. Користувачі часто є членами групи, що разом працюють над конкретним проектом. В такому випадку всім членам такої групи надається доступ до певних файлів.

“Загальнодоступний” - доступ дозволяється для якого завгодно користувача даної системи. Поняття “загальнодоступний” означає, що користувачам дозволяється читати або використовувати файл, а робити записи в ньому забороняється.

Копіювання та відновлення інформації

Найбільш розповсюджений спосіб – періодичне копіювання. Але це не виключає можливості втратити всіх змін у файлі з моменту його останнього… Ще один спосіб – реєстрація, протоколювання всіх змін у файлі. Така… Не існує ніяких засобів, що гарантують абсолютну безпечність файлів.

Планування роботи з дисковою пам’яттю

  Рис. __

Призначення планування

Оскільки ці процеси роблять запити значно швидше, ніж їх обслуговують дискові пристрої, в яких головки переміщаються, то до кожного пристрою… В деяких обчислювальних системах ці запити обслуговуються в порядку… Це справедливий метод надання послуг, але при підвищенні частоти запитів, тобто навантаження, він може приводити до…

Цільові характеристики принципів планування

1) Пропускна здатність. 2) Середній час відповіді. 3) Розкид, або дисперсія відповіді в часі (тобто передбачуваність).

Оптимізація пошуку циліндру

1. FCFS – запити обслуговуються в порядку надходження. 2. SSTF – (Shortest Seek Time First) („з найменшим часом пошуку - першим”). …  

Оптимізація за часом очікування записів

В умовах великих навантажень ймовірність декількох одночасних звертань до певного циліндру зростає, що робить доцільним виконувати оптимізацію не тільки за пошуком циліндрів, але і за часом очікування записів.

Аналогом SSTF але в застосуванні до оптимізації за часом очікування записів, є стратегія SLTF (Shortest Latency Time - First) (з найменшим часом очікування – першим).

Коли каретка підводиться на певний циліндр може виявитись, що багато запитів очікують звертання до різних доріжок чи секторів цього циліндру. SLTF- аналізує всі ці запити і першим обслуговує запит з мінімальним очікуванням запису. Ця стратегія досить близька до теоретично оптимальної, причому її відносно легко реалізувати.

 

Рис. __

 

Запити будуть обслуговуватись у вказаній на рис. __ послідовності незалежно від порядку їх надходження.

 

Архітектура сучасних файлових систем

Рис. __  

Варіанти реалізації API

 

Перший варіант реалізації

В цьому варіанті результуюча програма звертається безпосередньо до ОС. Тому досягається найбільша ефективність виконання функцій АРІ у порівнянні з… Недолік: відсутність можливості переносу не тільки коду результуючої програми,… Частіше за все система програмування не зможе виконати перебудову вихідного коду для нової архітектури обчислювальної…

Другий варіант реалізації

Ефективність АРІ буде нижче, ніж у попередньому варіанті. Це тому, що для виконання багатьох функцій АРІ бібліотека мови програмування повинна все… Але переносимість буде самою високою, оскільки синтаксис і семантика всіх… Але є нестандартні бібліотеки.

Лекція 8. Основи організації MS-DOS

Всю систему можна розділити на шість основних частин: 1. Система BIOS в ПЗП. Поставляється разом з машиною і може використовуватись… 2. “Завантажуючий запис” диску. “Завантажуючий запис” – це дуже коротка і проста програма, що знаходиться на гнучкому…

Будова та функції основних складових ДОС

Базова система вводу-виводу в постійній пам’яті. Забезпечує найбільш прості та універсальні послуги ОС, пов’язані зі здійсненням вводу-виводу. Змінюється тільки в тому випадку, коли змінам підлягає апаратна реалізація… Система BIOS складається з кількох частин, більшість з яких є програми, а інші – це важливі таблиці даних.

Керування пам’яттю

   

Відображена пам’ять

LIM-EMS – Специфікація відображеної пам’яті (Expanded memory Specification). Використовується як правило для збереження даних. ЕМS 3.2 – до 8Мбайт.

Розширена пам’ять

Ця специфікація визначила правила доступу як до самої розширеної пам’яті, так і до додаткової пам’яті інших типів, які створюються за її рахунок. … Програмний драйвер, який реалізує специфікацію XMS, дозволяє пересилати дані… Цей драйвер – адміністратор розширеної пам’яті – ХММ, один з найбільш відомих HIMEM.SYS.

Висока пам’ять

У процесорі 80286 ША – 24 розрядів. Тоді стає можливою адресація сегменту пам’яті – 64 Кбайт, який починається з останнього значення параграфу UMA. Таким чином адресується до 64Кбайт розширеної пам’яті мінус16 байтів, що входять в останній параграф UMA.

Від 1 Мбайту до 1 Мбуйту + 64 Кбатів – 16 байтів. Область високої пам’яті НМА – (High Memory Area).

Метод доступу до цього сегменту реалізований в драйвері HIMEM.SYS (враховано в XMS).

Розширену пам’ять, що попадає в цю область, називають високою пам’яттю (High Memory). Використовується безпосередньо, без переключення режимів роботи мікропроцесору. Але XMS дозволяє її використовувати тільки одній програмі. Частіше це DOS, частина її резидентного коду, звільняє тим самим стандартну пам’ять.

Верхня пам’ять

1. Неможливо використати пам’ять, яка перевищує розміри “вікна” (не підтримується механізм перемикання сторінок). 2. У заповнені пам’яттю “вікна” можна завантажувати не тільки дані, але й… Пам’ять, що заповнює “вікна” в UMA, або UMB-пам’ять (Upper Memory Blocks – блоки верхньої пам’яті), складається з…

Драйвери верхньої та розширеної пам’яті

Завантажується у систему командою DEVICE=C:\DOS\HIMEM.SYS. Це менеджер розширеної пам’яті (ХММ) – що забезпечує безконфліктне сумісне використання… Драйвер ЕММ386.ЕХЕ – призначений для емуляції відображеної за специфікацією… Може виділити одну частину XMS-пам’яті для доступу по EMS, а другу частину – під верхню пам’ять. Сам може виконувати…

Завантажувані модулі COM та EXE – файли

Файли COM – програми, що завантажуються безпосередньо. Для них не потрібно фактично ніякої підготовки для запуску їх після завантаження в ОЗП… При завантаженні файлів ЕХЕ в ОС, необхідно провести спеціальну підготовку.… Формат програм в файлах типу СОМ компактніший та простіший.

Логічна структура диску в MS-DOS

Розбиття фізичного диску на декілька логічних корисно з таких точок зору: 1. У випадку пошкодження логічного диску пропадає тільки та інформація, яка… 2. Реорганізація та вивантаження диску малого розміру простіше і швидше ніж великого.

Формат елементів таблиці розділів

Розглянемо докладніше деякі поля елементу таблиці розділу диску. Байт із зміщенням 0 – це прапорець активного розділу і може приймати одне із… Двобайтове слово, що розташоване із зміщенням 8 містить відносний номер першого сектору розділу. Він вираховується…

Використання BOOT-сектору

Наприклад: Для дискети з 9-а секторами на доріжці. Сектор з логічним номер 1 розташований на нульовій доріжці і для звернення до нього… Для роботи з логічним диском (або дискетою) на рівні логічних номерів… Вміст BOOT-сектору може бути використаний для визначення загальної кількості секторів на логічному диску (наприклад, в…

Таблиця розміщення файлів

Згадаємо, як організовано зберігання інформації на диску. Доступ до цієї інформації може виконуватись як для послідовного, так і для прямого методом… Але метод доступу – це ще не все. Важливе значення має спосіб розподілу місця… В MS-DOS (UNIX, OS/2) при створенні файлу для нього не задається початковий розподіл пам’яті в доріжках або секторах.…

Визначення формату FAT

Для DOS, сектор запису завантаження (BOOT-сектор) диску в полі із зміщенням 36h вміщує 8-байтовий рядок, що ідентифікує формат FAT. „FAT12” або ” FAT16”.

Якщо розділи на жорсткому диску створювались утилітою FDISK, формат FAT можна визначити, аналізуючи вміст поля SYS головного завантажую чого запису (Master Boot Record). Якщо це поле вміщує значення:

1 – 12-бітовий формат,

4 – 16-бітовий формат.

Але диски після обробки деякими диск-менеджерами можуть мати нестандартний для DOS формат таблиці розділів диску (Partition Table) та в полі SYS можуть бути інші величини, відмінні від 1 та 4.

Формат FAT

Інша частина FAT складається з 12-бітових або 16-бітових комірок, кожна комірка відповідає одному кластеру диску. Ці комірки можуть вміщувати такі…   FAT12 FAT16 Зміст 000h …  

Файли та каталоги

Коренева директорія знаходиться зразу за останньою копією FAT. Кількість секторів, що займає одна копія FAT, знаходиться в BOOT-секторі в полі із… Розмір кореневого каталогу можна визначити, виходячи із значення поля rootsize… Кореневий каталог займає неперервну область фіксованого розміру. Розмір кореневого каталогу задається при форматуванні…

Недоліки MS-DOS

За думкою творців MS-DOS програміст, який хоче вивести, наприклад, символ на екран монітору, повинен скористатися або системою вводу-виводу консолі… Але відомо, що на практиці функції DOS та BIOS часто ігноруються (обходяться)… Винятком є файлова система MS-DOS, яка також іноді ігнорується (наприклад, при організації захисту від копіювання). …

Переваги які надає користувачам Windows

2. Єдиний інтерфейс. Ретельно продуманий уніфікований єдиний графічний інтерфейс з користувачем полегшує вивчення нових програмних продуктів.… 3. Обмін даними між програмами. Один із засобів, забезпечуючи програмну… Механізм обміну даних між програмами – життєво важлива якість багатозадачного середовища. Крім Clipboard є вже інші…

Windows як операційна оболонка

- пам’яттю; - програмами, що виконуються; - процесами;

Обмін даними в Windows

Для користувачів DOS комп’ютер – це деякий ”склад” програмних продуктів, які зовсім не зв’язані один з одним. Дуже часто користувач використовує окремо текстовий та графічний редактори. Альтернатива – це робота громіздких пакетах, які суміщають в собі текстові та графічні можливості. Особливо неприємним в DOS є перевантаження даних з одного продукту в інший. Не дивлячись на існування деяких стандартів, велика кількість DOS-програм зберігає дані в тому вигляді, в якому це захотілося автору. Існують сотні драйверів, які перетворюють дані в різні формати.

На відміну від DOS, Windows, як багатозадачне середовище, з самого початку була розрахована на високий ступінь інтеграції її компонентів. Один з найважливіших елементів такої інтеграції є можливість ефективного обміну даними між різними продуктами.

Clipboard

В продукті-джерелі його власними засобами виділяється необхідні дані. Командою Copy (Ctrl + C) виділений фрагмент заноситься до Clipboard. Можливе також використання команди Cut (Ctrl + X). Те саме, що Copy, а з тою… Механізм, що забезпечує обмін даними між різними продуктами називається –динамічний обмін даними (DDE – Dynamic Data…

Зв’язування чи вбудовування

Вбудовування. Забезпечується можливість коректувати встановлений об’єкт, не вносячи змін в оригінал. Також краще, коли існує необхідність переносити… Оскільки при зв’язуванні запам’ятовується шлях до оригіналу і при переході на… В OLE замість операції копіювання через Clipboard застосовується метод Drag-and-Drop (перетягнути та відпустити), і…

Первинність повідомлень: механізм повідомлень

Але ідея повідомлень значно глибша. Повідомлення – це потужний (і єдиний) засіб зв’язку вікна (і всього продукту) з самою операційною оболонкою… Повідомлення мають єдиний формат, який за кількістю інформації, що надається… Наприклад: прихід сигналу від таймера керується повідомленням WM-TIMER; при збільшенні користувачем області „вікна” на…

Windows 98

На відміну від Windows 3.x, Windows 98 більше не потребує MS–DOS і бере всі функції на себе. Оскільки обмежень DOS більше нема, Windows 98…   Основні переваги Windows 98 у порівнянні з Windows 3.x, такі:

Незалежна (preemptive) багатозадачність

У Windows 98 при роботі 32–розрядних продуктів використовується механізм незалежної багатозадачності. ОС сама визначає час, який відводиться кожному… Але 16–розрядні продукти для сумісності продовжують працювати в режимі… Preemptive окрім всього пропонує також multithreading – багатопотоковий механізм, який полегшує розробку складних…

Взаємодія 32– та 16–розрядних кодів

Windows 98 застосовує 32–розрядний код скрізь, де це дозволяє суттєво покращити продуктивність без втрати сумісності. 16–розрядний код Windows 3.Х… Всі функції нижнього рівня – ядро ОС, менеджер пам’яті і всі підсистеми… Більшість 16–розрядного коду Windows 98 написано на асемблері, на самому низькому рівні і тому забезпечує…

Робота з 16–розрядними продуктами

У Windows 98 некоректний 16–розрядний продукт не може заподіяти ніякої шкоди 32–розрядним продуктам, або DOS– продуктам, які працюють паралельно. В… Більше того тепер ОС слідкує за ресурсами, які виділяються кожному продукту, і…

Робота з DOS–продуктами

Кожний DOS–продукт працює в окремій віртуальній машині (VM). VM повністю ізольовані одна від одної а також від інших 32–розрядних та 16–розрядних… При роботі з DOS–продуктами переваги Windows 98 перед Windows 3.1, такі: 1) реалізація багатьох елементів системи в захищеному режимі звільнює для DOS–продуктів додатковий об’єм звичайної…

Робота 32–розрядних Windows–продуктів

32–розрядне ядро Windows 98 забезпечує такі переваги: - preemptive - багатозадачність; - 32–розрядний API (Application Programming Interface);

Вдосконалення розподілу системних ресурсів

Windows 3.1 підтримує стеки (heaps) GDI та USER (по 64 Кб), які використовуються для зберігання інформації про об’єкти, що виділяються при викликах… Всі дані не були виключені з 16–розрядні стеки тільки тому, що в такому… Так дескриптори меню і вікон були переміщені у 32–розрядний стек USER, що дозволило збільшити максимально можливу…

Windows XP

Це перша кардинально змінена ОС після Windows 95. Побудована на основі ядра Windows 2000 з метою підвищення стійкості, оскільки вона краще протидіє збоям при одночасному виконанні декількох складних задач.

Мінімальні системні вимоги: Процесор Intel Pentium II (або сумісні) ≥ 300МГц; 128Мбайт ≤ RAM ≤ 4Гбайт; SVGA PnP монітор; миша; накопичувач CD–ROM або DVD‑ROM ≥ 12Х; мережений адаптер (для реалізації мережених функцій); доступ в Internet.

Оптимальні результати на машинах ≥ 500 МГц. Зміни в Windows XP такі ж глибокі, як і при переході від Windows 3.1 до Windows 95.

Варіанти модифікацій ОС Windows XP

Корпоративний користувач – орієнтований на підвищення ефективності праці в невеликих корпораціях. Забезпечує: ‑ автоматичне відновлення… Співпрацівник малого офісу – орієнтований на налагодження зв’язку з мережею.… Домашній користувач – орієнтований для розваг та домашнього використання. Має реалізовані: ‑ покращені…

Нові характеристики реалізовані в Windows XP

2. Сумісність/модернізація: - автоматична модернізація; - режим програмної сумісності; - покращена сумісність з апаратними пристроями; - стійка… 3. Зв’язок: - “майстер” організації домашньої мережі; - Internet Connection… 4 Для корпоративних користувачів: - дистанційний доступ; - робота з декількома моніторами; - мережевий монітор; -…

Продуктивність

Не так часто відбуваються збої, швидше виконуються процедури початкового завантаження, відновлення роботи і запуску прикладних програм, інтелектуальні засоби і само настройки переміщають програмні файли для досягнення оптимальної швидкодії.

Windows XP – ОС із функціями само настройки. Вона адаптується, як до кожного користувача та і до його програм і файлів. У періоди очікування ОС динамічно переміщає файли програм для їх оптимального розміщення на жорсткому диску і тим самим скорочує затримки при доступі до них. Такий підхід міг би зменшити час завантаження прикладних програм і відкриття файлів (теоретично).

 

Лекція 8. ОС UNIX

Початок розробки 1965 рік Multics. 1971 році UNIX на PDP-11 в 1973 році переписана на Ci. На початку 1984 року інстальована приблизно на 100 000… 1. Система написана на мові високого рівня Ci, завдяки цьому її легко читати,… 2. Наявність досить простого інтерфейсу користувача, який має можливість надавати користувачу всі необхідні послуги…

Ядро ОС UNIX

- керує послідовністю виконання процесів; - резервує основну пам’ять та простір на дискетах; - керує обміном даними між основною пам’яттю та периферійними пристроями;

Генерування ОС

Ядро UNIX – це не проста послідовна програма. Воно вміщує декілька важливих таблиць, які використовуються для координації взаємопов’язаних потоків,… У довільний момент часу комп’ютер виконує або програму користувача (процес),… 1. Системний годинник. Періодично формується переривання, тобто сигнал, що переключає комп’ютер на виконання…

Процеси

Процес – це програма під час виконання в деякий момент часу довільної програми може відповідати один або декілька процесів, або не відповідати… Найбільш важлива інформація про процес зберігається в двох місцях: - в таблиці процесів;

Початкове завантаження. Процеси 0 та 1

1. Увімкненні комп’ютера. 2. Якщо відбувся крах системи. 3. Система була свідомо зупинена.

Файлова система UNIX

В UNIX файли є послідовностями байтів. Іноді до них звертаються як до текстових або двійкових але розрізняються вони лише вмістом (текстові файли… Файлова система UNIX ієрархічна, використовує багаторівневий метод зберігання… В UNIX – каталоги – це файли, які може мати довільна програма. Але в них зберігається не вся інформація про файли, а…

Будова файлової системи UNIX

Блок 1– суперблок, містить заголовок файлової системи, що складається з основної інформації про неї, зокрема, про її розміри, число індексних…  

Каталоги

Перші елементи в каталозі ‘.’ та ‘. .’, вказують на індексні дескриптори самого каталогу та батьківського, відповідно. В кореневому каталозі обидва… З точки зору ядра системи UNIX шлях, що задається повним іменем файлу, є… 1. Вибирає індексний дескриптор біжучої директорії. Цей дескриптор міститься в контексті процесу.

Зміст

Тема 1: Вступ. Мета та задачі курсу. 1

Типи операційних систем.. 3

Тема 2: Процеси. 5

Керування процесами. 5

Блок керування процесом.. 7

Операції над процесами. 7

Обробка переривань. 9

Лекція 4: Ядро операційної системи. 12

Основні функції ядра. 12

Асинхронні паралельні процеси. 12

Взаємо-виключення. 13

Семафори. 17

Монітор. 18

Кільцевий буфер. 19

Конвеєр (програмний канал) 20

Черги повідомлень (Queue) 20

Тупики. 21

Алгоритми планування процесів. 23

Витісняючі та невитісняючі алгоритми планування. 24

Нитки, потоки (Thread) 25

Висновки. 26

Лекція 5. Керування ресурсами. 28

Керування пам’яттю.. 28

Ієрархія пам’яті 28

Розподіл пам’яті 29

Зв’язний розподіл пам’яті для одного користувача. 30

Мультипрограмування з фіксованими розділами. 30

Мультипрограмування із змінними розділами. 31

Боротьба з фрагментацією.. 32

Стратегії розміщення інформації в пам’яті 32

Системи з розподілом часу. Сторінкова організація пам’яті. Концепція віртуальної (уявної) пам’яті. 33

Принцип кешування даних. 35

Керування процесорами. 36

Планування з переключення та без переключення. 38

Лекція 6. Керування даними. 41

Файлова система. 41

Функції файлової системи. 41

Ієрархія даних. 42

Об’єднання в блоки та буферизація. 42

Організація файлів. 43

Методи доступу. 44

Характеристики файлів. 45

Файлова система. 45

Виділення та звільнення місця в пам’яті 46

Зв’язаний розподіл пам’яті 46

Незв’язаний розподіл пам’яті 47

Дескриптор файлу (file descriptor) 50

Матриця керування доступом.. 51

Керування доступом в залежності від класів користувачів. 51

Копіювання та відновлення інформації 51

Планування роботи з дисковою пам’яттю.. 52

Призначення планування. 53

Цільові характеристики принципів планування. 54

Оптимізація пошуку циліндру. 54

Оптимізація за часом очікування записів. 56

Архітектура сучасних файлових систем.. 57

Лекція 7. Інтерфейс прикладного програмування API (application program interface) 59

Варіанти реалізації API. 59

Лекція 8. Основи організації MS-DOS. 61

Будова та функції основних складових ДОС.. 61

Керування пам’яттю.. 64

Відображена пам’ять. 66

Розширена пам’ять. 67

Висока пам’ять. 67

Верхня пам’ять. 67

Драйвери верхньої та розширеної пам’яті 68

Завантажувані модулі COM та EXE – файли. 68

Логічна структура диску в MS-DOS. 71

Формат елементів таблиці розділів. 74

Запис завантаження (BOOT) 75

Використання BOOT-сектору. 77

Таблиця розміщення файлів. 77

Визначення формату FAT. 78

Формат FAT. 78

Файли та каталоги. 79

Недоліки MS-DOS. 82

Переваги які надає користувачам Windows. 84

Windows як операційна оболонка. 85

Обмін даними в Windows. 86

Clipboard. 86

Зв’язування чи вбудовування. 89

Первинність повідомлень: механізм повідомлень. 90

Windows 98. 94

Незалежна (preemptive) багатозадачність. 94

Взаємодія 32– та 16–розрядних кодів. 95

Робота з 16–розрядними продуктами. 95

Робота з DOS–продуктами. 96

Робота 32–розрядних Windows–продуктів. 97

Вдосконалення розподілу системних ресурсів. 98

Windows XP. 100

Варіанти модифікацій ОС Windows XP. 101

Нові характеристики реалізовані в Windows XP. 101

Продуктивність. 102

Лекція 8. ОС UNIX.. 103

Ядро ОС UNIX.. 103

Генерування ОС.. 104

Процеси. 104

Початкове завантаження. Процеси 0 та 1. 106

Файлова система UNIX.. 109

Будова файлової системи UNIX.. 109

Каталоги. 111