Основы архитектуры операционных систем
Этот раздел мы начнем с определения базовых понятий, среди которых очень важным для нас станет понятие операционной системы. Этот термин имеет различные толкования в разных изданиях, мы остановимся на следующем.
Операционная система — это комплекс программ, в функции которого входит обеспечение контроля за существованием, использованием и распределением ресурсов вычислительной системы. Напомним, что вычислительная система может включать в свой состав как физические, так и виртуальные ресурсы. Чтобы дать более ясную картину того, что же мы будем считать операционной системой, разберем ее определение детально.
Начнем с того, что операционная система обеспечивает контроль за существованием ресурсов. Для любого ресурса степень его доступности зависит от операционной системы. Существуют ресурсы, которые полностью зависят от того, имеется ли их реализация в операционной системе или нет, если есть, то какая именно это реализация. Примером подобного ресурса служит файловая система: этого ресурса может и не быть в операционной системе, может существовать одна модель, или другая модель, или сразу несколько моделей.
Следующий пункт — использование ресурсов. Здесь имеется в виду, что операционная система предоставляет все средства, обеспечивающие доступность ресурсов ВС пользователю (точнее программам).
И, наконец, распределение: под этим будем понимать обеспечение всевозможных моделей регламентации доступа.
Любая операционная система опирается на набор базовых сущностей, на основе характеристик которых выстраиваются почти все эксплуатационные свойства конкретной операционной системы. При этом, для различных операционных систем наборы базовых сущностей зачастую различаются: одни основаны на понятии устройства, другие — на понятии файла, третьи — на понятии набора данных. Но в большинстве случаев в состав базовых включается сущность, обозначающая исполняемую программу, задачу, задание или процесс. Эта сущность определяет некоторый процесс исполнения последовательности команд, причем здесь может участвовать единственная ветвь вычислений, а может сразу и несколько параллельных ветвей. Из множества трактовок этой сущности мы выберем понимание ее именно как процесса.
Процесс — это совокупность машинных команд и данных, обрабатывающаяся в рамках вычислительной системы и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов.
Разберемся в этом определении. Понятие совокупности машинных команд и данных обозначает то, что принято называть исполняемой программой, т.е. это код и операнды, используемые в этом коде. Далее, под термином обработки в рамках ВС будем понимать, что эта программа сформирована и находится в системе в режиме обработки (это может быть и ожидание, и исполнение на процессоре, и т.п.). И, третье, понятие обладания правами на владение некоторым набором ресурсов обозначает, по сути, возможность доступа. Отметим, что здесь речь не идет об эксклюзивных правах, поскольку в общем случае это было бы некорректно. Итак, иными словами процесс можно определить как исполняемую программу, которая введена в систему для ее обработки, и с которой ассоциированы некоторые ресурсы вычислительной системы.
Ресурсы, выделяемые процессам, могут быть двух типов. Первая категория ресурсов состоит из тех ресурсов, которые выделяются процессу на эксклюзивных правах. Это означает, что этот ресурс, пока процесс им владеет, принадлежит ему и только ему, и никакой иной процесс не имеет право работать с данным ресурсом. Вторая категория — это те ресурсы, которые в один и тот же момент времени могут принадлежать двум и более процессам, и их принято называть разделяемыми ресурсами. Здесь сделаем небольшое пояснение: то, что разделяемый ресурс может одновременно принадлежать нескольким процессам, не означает, что к нему возможен одновременный доступ. Обозначенная проблема решается на другом уровне посредством использования разных схем синхронизации доступа к разделяемому ресурсу, и об этом речь пойдет несколько позже.
С точки зрения выделения ресурса процессу используются две модели организации этого выделения. Первый способ — это предварительная декларация ресурсов. В этом случае до ввода программы в систему и формирования для нее процесса описывается перечень тех ресурсов, которыми процесс будет обладать. Например, это может быть перечень областей оперативной памяти, которые будут доступны данному процессу (если система поддерживает механизм виртуальной памяти, то это будет перечень областей виртуальной памяти, доступных процессу). Или же это может быть предельное время центрального процессора, которое может быть потрачено на исполнение данного процесса. Так или иначе, при вводе программы и формировании процесса операционная система постарается выделить все необходимые ресурсы, которые были предварительны декларированы. Если в системе нет заказанного ресурса, то она, скорее всего, не станет запускать процесс, который запросил этот ресурс.
Вторая модель — это динамическое дополнение списка ресурсов. Данная модель предполагает выделение процессу ресурса уже во время выполнения этого процесса. Это означает, что в системе происходит запуск процесса с выделением ему минимально необходимой области виртуальной памяти, а затем, когда процесс обращается к системе за выделением дополнительной области, то ОС обрабатывает эти запросы соответствующим образом. Отметим также, что на практике также применяются и смешанные подходы, но во многих системах, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, ориентация сделана на динамическую модель выделения ресурсов.
Многие операционные системы разрабатывались и разрабатываются таким образом, чтобы обладать следующими важными свойствами: надежность, защита, эффективность и предсказуемость.
Надежность означает, что система должна быть надежной как программный комплекс, т.е. число программных ошибок в системе должно быть сведено к минимуму и должно быть соизмеримо с количеством возможных аппаратных сбоев.
Защита информации на сегодняшний день является одним из основных требований, предъявляемых к системе. ОС должна обеспечивать защиту информации и ресурсов от несанкционированного доступа.
Свойство эффективности означает, что функционирование системы должно удовлетворять некоторым требованиям, критериям эффективности, которые, по сути, являются оценкой соответствия.
И, наконец, это предсказуемость системы, являющееся также одним из важных свойств ОС, поскольку большинство систем, которые, так или иначе, являются массово распространенными, при возникновении разного рода форс-мажорных обстоятельств должны вести себя строго определенным способом. Это свойство должно очерчивать круг всевозможных проблем, которые могут возникнуть в той или иной ситуации, а также подразумевать устойчивость системы к возникновению подобных обстоятельств.
- Содержание
- 1 Введение 5
- 2 Управление процессами 87
- 3 Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix 114
- 4 Файловые системы 152
- 4.1 Основные концепции 152
- 5 Управление оперативной памятью 181
- 6 Управление внешними устройствами 196
- Введение
- Пакетная обработка заданий.
- Развитие языков и систем программирования.
- Этапы эволюции.
- Основы архитектуры вычислительной системы
- Структура вс
- Структура вычислительной системы.
- Аппаратный уровень вс
- Управление физическими ресурсами вс
- Пример зависимости от драйвера.
- Управление логическими/виртуальными ресурсами
- Системы программирования
- Этапы проектирования.
- Кодирование.
- Тестирование.
- Каскадная модель.
- Каскадная итерационная модель.
- Спиральная модель.
- Прикладные системы
- Первый этап развития прикладных систем.
- Второй этап развития прикладных систем.
- Третий этап развития прикладных систем.
- Пакет программ Microsoft Office.
- Пакет MathCad.
- Система BaaN.
- Выводы, литература
- Структура организации вычислительной системы.
- Основы компьютерной архитектуры
- Структура, основные компоненты
- Структура компьютера фон Неймана.
- Базовая архитектура современных компьютеров.
- Оперативное запоминающее устройство
- Ячейка памяти.
- Контроль четности.
- Озу без расслоения памяти — один контроллер на все банки.
- Озу с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.
- Центральный процессор
- Структура организации центрального процессора.
- Регистровая память
- Устройство управления. Арифметико-логическое устройство
- Общая схема работы кэШа.
- Аппарат прерываний
- Использование иерархической модели регистров прерывания.
- Использование вектора прерываний.
- Этап программной обработки прерываний.
- Внешние устройства
- Внешние устройства.
- Внешние запоминающие устройства
- Магнитная лента.
- Принцип устройства магнитного диска.
- Принцип устройства магнитного барабана.
- Принцип устройства памяти на магнитных доменах.
- Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами
- Синхронная и асинхронная работа с ву.
- Потоки данных. Организация управления внешними устройствами
- Непосредственное управление центральным процессором внешнего устройства.
- Синхронное/асинхронное управление внешними устройствами с использованием контроллеров внешних устройств.
- Использование контроллера прямого доступа к памяти (dma) или процессора (канала) ввода-вывода при обмене.
- Иерархия памяти
- Иерархия памяти.
- Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования
- Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима
- Мультипрограммный режим.
- Проблемы, возникающие при исполнении программ
- Вложенные обращения к подпрограммам.
- Перемещаемость программы по озу.
- Фрагментация памяти.
- Регистровые окна
- Регистровые окна.
- Регистровые окна. Вход и выход из подпрограммы.
- Системный стек
- Системный стек.
- Виртуальная память
- Страничная организация памяти.
- Страничная организация памяти. Преобразование виртуального адреса в физический.
- Страничная организация памяти. Схема преобразования адресов.
- Многомашинные, многопроцессорные ассоциации
- Классификация мкмд.
- Numa-система.
- Терминальные комплексы (тк)
- Терминальные комплексы.
- Компьютерные сети
- Компьютерные сети.
- Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель iso/osi
- Модель организации взаимодействия в сети iso/osi.
- Логическое взаимодействие сетевых устройств по I-ому протоколу.
- Семейство протоколов tcp/ip. Соответствие модели iso/osi
- Семейство протоколов tcp/ip.
- Взаимодействие между уровнями протоколов tcp/ip.
- Система адресации протокола ip.
- Маршрутизация дейтаграмм.
- Основы архитектуры операционных систем
- Структура ос
- Структурная организация ос.
- Структура ос с монолитным ядром.
- Структура ос с микроядерной архитектурой.
- Логические функции ос
- Типы операционных систем
- Структура сетевой ос.
- Структура распределенной ос.
- Управление процессами
- Основные концепции
- Модели операционных систем
- Типы процессов
- Типы процессов: однонитевая (а) и многонитевая (б) организации.
- Контекст процесса
- Реализация процессов в ос Unix
- Процесс ос Unix
- Разделение сегмента кода.
- Базовые средства управления процессами в ос Unix
- Пример использования системного вызова fork().
- Пример использования системного вызова execl().
- Пример использования схемы fork-exec.
- Жизненный цикл процесса. Состояния процесса
- Жизненный цикл процессов.
- Формирование процессов 0 и 1
- Формирование нулевого и первого процессов.
- Инициализация системы.
- Планирование
- Взаимодействие процессов
- Разделяемые ресурсы и синхронизация доступа к ним
- Гонка процессов.
- Пример тупиковой ситуации (deadlock).
- Способы организации взаимного исключения
- Пример двоичного семафора.
- Классические задачи синхронизации процессов
- Обещающие философы.
- Реализация межпроцессного взаимодействия в ос Unix
- Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ос Unix
- Способы организации взаимодействия процессов.
- Сигналы
- Неименованные каналы
- Именованные каналы
- Модель межпроцессного взаимодействия «главный–подчиненный»
- Общая схема трассировки процессов.
- Система межпроцессного взаимодействия ipc (Inter-Process Communication)
- Очередь сообщений ipc
- Очередь сообщений ipc.
- 0666 Определяет права доступа */
- Разделяемая память ipc
- Массив семафоров ipc
- Int val; /* значение одного семафора */
- Сокеты — унифицированный интерфейс программирования распределенных систем
- Файловые системы
- Основные концепции
- Структурная организация файлов
- Атрибуты файлов
- Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы
- Модель одноуровневой файловой системы.
- Модель двухуровневой файловой системы.
- Модель иерархической файловой системы.
- Подходы в практической реализации файловой системы
- Структура «системного» диска.
- Модели реализации файлов
- Модель непрерывных файлов.
- Модель файлов, имеющих организацию связанного списка.
- Модели реализации каталогов
- Модели организации каталогов.
- Соответствие имени файла и его содержимого
- Пример жесткой связи.
- Пример символической связи.
- Координация использования пространства внешней памяти
- Квотирование пространства файловой системы
- Квотирование пространства файловой системы.
- Надежность файловой системы
- Проверка целостности файловой системы
- Проверка целостности файловой системы. Непротиворечивость файловой системы соблюдена.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксирована пропажа блока.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование свободного блока.
- Проверка целостности файловой системы. Зафиксировано дублирование занятого блока.
- Проверка целостности файловой системы. Контроль жестких связей.
- Примеры реализаций файловых систем
- Организация файловой системы ос Unix. Виды файлов. Права доступа
- Логическая структура каталогов
- Логическая структура каталогов.
- Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V
- Структура файловой системы версии System V.
- Работа с массивами номеров свободных блоков
- Работа с массивами номеров свободных блоков.
- Работа с массивом свободных индексных дескрипторов
- Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла
- Индексные дескрипторы.
- Адресация блоков файла.
- Файл-каталог
- Файл-каталог.
- Установление связей.
- Достоинства и недостатки файловой системы модели System V
- Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (ffs) bsd
- Структура файловой системы версии ffs bsd.
- Стратегии размещения
- Стратегия размещения последовательных блоков файлов.
- Внутренняя организация блоков
- Внутренняя организация блоков (блоки выровнены по кратности).
- Выделение пространства для файла
- Выделение пространства для файла.
- Структура каталога ffs
- Структура каталога ffs bsd.
- Блокировка доступа к содержимому файла
- Управление оперативной памятью
- Одиночное непрерывное распределение
- Одиночное непрерывное распределение.
- Распределение неперемещаемыми разделами
- Распределение неперемещаемыми разделами.
- Распределение перемещаемыми разделами
- Распределение перемещаемыми разделами.
- Страничное распределение
- Страничное распределение.
- Иерархическая организация таблицы страниц.
- Использование хеш-таблиц.
- Инвертированные таблицы страниц.
- Замещение страниц. Алгоритм «Часы».
- Сегментное распределение
- Сегментное распределение.
- Сегментно-страничное распределение
- Сегментно-страничное распределение. Упрощенная модель Intel.
- Управление внешними устройствами
- Общие концепции
- Архитектура организации управления внешними устройствами
- Модели управления внешними устройствами: непосредственное (а), синхронное/асинхронное (б), с использованием контроллера прямого доступа или процессора (канала) ввода-вывода.
- Программное управление внешними устройствами
- Иерархия архитектуры программного управления внешними устройствами.
- Планирование дисковых обменов
- Планирование дисковых обменов. Модель fifo.
- Планирование дисковых обменов. Модель lifo.
- Планирование дисковых обменов. Модель sstf.
- Raid 2. Избыточность с кодами Хэмминга (Hamming, исправляет одинарные и выявляет двойные ошибки).
- Raid 3. Четность с чередующимися битами.
- Raid 5. Распределенная четность (циклическое распределение четности).
- Работа с внешними устройствами в ос Unix
- Файлы устройств, драйверы
- Системные таблицы драйверов устройств
- Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера
- Включение, удаление драйверов из системы
- Организация обмена данными с файлами
- Организация обмена данными с файлами.
- Буферизация при блок-ориентированном обмене
- Борьба со сбоями