Принципы построения интерфейсов операционных систем - раздел Информатика, Программное обеспечение можно разделить на две группы: системное программное обеспечение СПО и прикладное программное обеспечение ППО Напомним, Что Ос Всегда Выступает Как Интерфейс Между Аппаратурой Компьютера...
Напомним, что ОС всегда выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами. Под интерфейсами операционных систем здесь и далее следует понимать специальные интерфейсы системного и прикладного программирования, предназначенные для выполнения следующих задач:
Управление процессами, которое включает в себя следующий набор основных функций:
- запуск, приостанов и снятие задачи с выполнения;
- задание или изменение приоритета задачи;
- взаимодействие задач между собой (механизмы сигналов, семафорные примитивы, очереди, конвейеры, почтовые ящики);
- RPC (remote procedure call) — удаленный вызов подпрограмм.
Управление памятью:
- запрос на выделение блока памяти;
- освобождение памяти;
- изменение параметров блока памяти (например, память может быть заблокирована процессом либо предоставлена в общий доступ);
- отображение файлов на память (имеется не во всех системах).
Управление вводом/выводом:
- запрос на управление виртуальными устройствами (напомним, что управление вводом/выводом является привилегированной функцией самой ОС, и никакая из пользовательских задач не должна иметь возможности непосредственно управлять устройствами);
- файловые операции (запросы к системе управления файлами на создание, изменение и удаление данных, организованных в файлы).
Здесь мы перечислили основные наборы функций, которые выполняются ОС по соответствующим запросам от задач. Что касается пользовательского интерфейса операционной системы, то он реализуется с помощью специальных программных модулей, которые принимают его команды на соответствующем языке (возможно, с использованием графического интерфейса) и транслируют их в обычные вызовы в соответствии с основным интерфейсом системы. Обычно эти модули называют интерпретатором команд. Так, например, функции такого интерпретатора в MS-DOS выполняет модуль COMMAND.COM. Получив от пользователя команду, такой модуль после лексического и синтаксического анализа либо сам выполняет действие, либо, что случается чаще, обращается к другим модулям ОС, используя механизм API. Надо заметить, что в последние годы большую популярность получили графические интерфейсы (GUI), в которых задействованы соответствующие манипуляторы типа «мышь» или «трекбол». Указание курсором на объекты и щелчок (клик) или двойной щелчок по соответствующим клавишам приводит к каким-либо действиям — запуску программы, ассоциированной с указываемым объектом, выбору и/или активизации пунктов меню и т. д. Можно сказать, что такая интерфейсная подсистема транслирует «команды» пользователя в обращения к ОС.
Поясним также, что управление GUI — частный случай задачи управления вводом/выводом, не являющийся частью ядра операционной системы, хотя в ряде случаев разработчики ОС относят функции GUI к основному системному API.
Следует отметить, что имеются два основных подхода к управлению задачами. Так, в одних системах порождаемая задача наследует все ресурсы задачи-родителя, тогда как в других системах существуют равноправные отношения, и при порождении нового процесса ресурсы для него запрашиваются у операционной системы.
Обращения к операционной системе, в соответствии с имеющимся API, может осуществляться как посредством вызова подпрограммы с передачей ей необходимых параметров, так и через механизм программных прерываний. Выбор метода реализации вызовов функций API должен определяться архитектурой платформы.
Так, например, в операционной системе MS-DOS, которая разрабатывалась для однозадачного режима (поскольку процессор 18086 не поддерживал мультипрограммирование), использовался механизм программных прерываний. При этом основной набор функций API был доступен через точку входа обработчика int 21h.
В более сложных системах имеется не одна точка входа, а множество — по количеству функций API. Так, в большинстве операционных систем используется метод вызова подпрограмм. В этом случае вызов сначала передается в модуль API (например, это библиотека времени выполнения), который и перенаправляет вызов соответствующим обработчикам программных прерываний, входящим в состав операционной системы. Использование механизма прерываний вызвано, главным образом, тем, что при этом процессор переводится в режим супервизора.
Все темы данного раздела:
Системное программное обеспечение
В англоязычной технической литературе термин System Software (системное программное обеспечение) означает программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует техн
Понятие операционной среды
Операционная система выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и об
Понятия вычислительного процесса и ресурса
Понятие «вычислительный процесс» (или просто — «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей») — это выполнение от
Диаграмма состояний процесса
Необходимо различать системные управляющие процессы, представляющие работу супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управлением ресурсов, от всех других процессов: системн
Реализация понятия последовательного процесса в ОС
Контекст и дескриптор процесса
На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо
Процессы и треды
Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Напомним, в свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограммирование». Таким образом, для реализации «мул
Прерывания
Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работ
Основные виды ресурсов
Рассмотрим кратко основные виды ресурсов вычислительной системы и способы их разделения. Прежде всего, одним из важнейших ресурсов является сам процессор, точнее — процессорное время. Процессорное
Управление задачами в операционных системах
Итак, время центрального процессора и оперативная память являются основными ресурсами в случае реализации мультипрограммных вычислений.
Оперативная память — это важнейший ресурс любой вычи
Стратегии планирования
Прежде всего следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирования, как правило, идет речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчеризации. Долгосрочное планирование, как мы уже от
Дисциплины диспетчеризации
Когда говорят о диспетчеризации, то всегда в явном или неявном виде имеют в виду понятие задачи (потока). Если ОС не поддерживает механизм тредов, то можно заменять понятие задачи на понятие процес
Вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы диспетчеризации
Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть не вытесняющая многозадачность (non-preemptive multitasking) — это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный
Диспетчеризация задач с использованием динамических приоритетов
При выполнении программ, реализующих какие-либо задачи контроля и управления (что характерно, прежде всего, для систем реального времени), может случиться такая ситуация, когда одна или несколько
Управление памятью.
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной систем
Управление вводом/выводом
Необходимость обеспечить программам возможность осуществлять обмен данными с внешними устройствами и при этом не включать в каждую двоичную программу соответствующий двоичный код, осуществляющий с
Режимы управления вводом/выводом
Как известно, имеются два основных режима ввода/вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода/вывода и режим обмена с прерываниями. Рассмотрим рис. 4.1.
Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода
Как известно, многие устройства не допускают совместного использования. Прежде всего, это устройства с последовательным доступом. Такие устройства могут стать закрепленными, то есть быть предостав
Основные системные таблицы ввода/вывода
Каждая ОС имеет свои таблицы ввода/вывода, их состав (количество и назначение каждой таблицы) может сильно отличаться. В некоторых ОС вместо таблиц создаются списки, хотя использование статических
Синхронный и асинхронный ввод/вывод
Задача, выдавшая запрос на операцию ввода/вывода, переводится супервизором в состояние ожидания завершения заказанной операции. Когда супервизор получает от секции завершения сообщение о том, что
Кэширование операций ввода/вывода при работе с накопителями на магнитных дисках
Как известно, накопители на магнитных дисках обладают крайне низкой скоростью по сравнению с быстродействием центральной части компьютера. Разница в быстродействии отличается на несколько порядков
Файловая система.
Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совмест
Имена файлов
Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времен
Типы файлов
Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.
Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые
Логическая организация файла
Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент да
Физическая организация и адрес файла
Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит из физических записей - блоков. Блок - наименьшая
Кэширование диска
В некоторых файловых системах запросы к внешним устройствам, в которых адресация осуществляется блоками (диски, ленты), перехватываются промежуточным программным слоем-подсистемой б
Общая модель файловой системы
Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью, в
которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в с
Отображаемые в память файлы
По сравнению с доступом к памяти, традиционный доступ к файлам выглядит запутанным и неудобным. По этой причине некоторые ОС, начиная с MULTICS, обеспечивают отображение файлов в ад
Современные архитектуры файловых систем
Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из
Интерфейс прикладного программирования
Прежде всего необходимо однозначно разделить общий термин API (application program interface, интерфейс прикладного программирования) на следующие направления:
API как интерфейс высо
Реализация функций API на уровне ОС
При реализации функций API на уровне ОC за их выполнение ответственность несет ОС. Объектный код, выполняющий функции, либо непосредственно входит в состав ОС (или даже ядра ОС), либо поставляется
Реализация функций API на уровне системы программирования
Если функции API реализуются на уровне системы программирования, они предоставляются пользователю в виде библиотеки функций соответствующего языка программирования. Обычно речь идет о библиотеке
Реализация функций API с помощью внешних библиотек
При реализации функций API с помощью внешних библиотек они предоставляются пользователю в виде библиотеки процедур и функций, созданной сторонним разработчиком. Причем разработчиком такой библиот
Платформенно-независимый интерфейс POSIX
POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments) — платформенно независимый системный интерфейс для компьютерного окружения. Это стандарт IEEE, описывающий системные интерфейсы
Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
При создании современных приложений, позволяющих использовать все возможности операционных систем в плане организации параллельных и распределенных вычислений, одной из важнейших проблем является
Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы
Основной особенностью мультипрограммных операционных систем является то, что в их среде параллельно развивается несколько (последовательных) вычислительных процессов. С точки зрения внешнего наблю
Средства синхронизации и связи при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
Все известные средства для решения проблемы взаимного исключения основаны на использовании специально введенных аппаратных возможностей, к которым относятся блокировка памяти, специальные команды
Использование блокировки памяти при синхронизации параллельных процессов
Все вычислительные машины и системы имеют такое средство для организации взаимного исключения, как блокировка памяти. Это средство запрещает одновременное исполнение двух (и более) команд, которы
Алгоритм Деккера
Алгоритм Деккера основан на использовании трех переменных (листинг 6.4): перекл1, перекл2 и ОЧЕРЕДЬ. Пусть по-прежнему переменная перекл1=true тогда, когда процесс ПР1 хочет войти в свой критическ
Семафорные примитивы Дейкстры
Понятие семафорных механизмов было введено Дейкстрой. Семафор — переменная специального типа, которая доступна параллельным процессам для проведения над ней только двух операций: «закрытия» и «отк
Мьютексы
Одним из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения являются так называемые мъютексы (mutex). Термин mutex произошел от английского словосочетания mutual exclusion semap
Использование семафоров при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
Семафорные примитивы чрезвычайно широко используются при проектировании разнообразных вычислительных процессов. При этом некоторые задачи являются настолько «типичными», что их детальное рассмотр
Мониторы Хоара
Анализ рассмотренных задач показывает, что, несмотря на очевидные достоинства (простота, независимость от количества процессов, отсутствие «активного ожидания»), семафорные механизмы имеют и ряд н
Новости и инфо для студентов