Введение
Настоящая книга основывается на многолетнем опыте чтения авторами курсов лекций и проведении семинарских занятий по операционным системам на факультете вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (Россия) и на факультете компьютерных наук университета Ватерлоо (Онтарио, Канада).
Операционная система является одним из ключевых понятий, связанных с функционированием компьютеров и их программного обеспечения. В существующей литературе многие понятия, связанные с вычислительной техникой, определяется неоднозначно, что иногда вносит путаницу в представление полной картины того, что и как функционирует в современном компьютере. Неоднозначностью определений страдает и понятие операционная система. В каких-то источниках операционная система определяется, «как система интерфейсов, предназначенная для обеспечения удобства работы пользователя с компьютером», в каких-то — это «посредник между программами пользователя и аппаратными средствами», кто-то сопоставляет это понятие с «возможностями и интерфейсами, предоставляемыми инструментальными средствами программирования и/или прикладными системами». В целом, каждая из перечисленных интерпретаций понятия операционная система имеет право на существование, и природа появления того или иного представления ясна. Однако многие из используемых трактовок термина операционная система ориентированы на конкретную категорию пользователей (программист, пользователь прикладной системы, системный программист и т.п.) и не формируют целостной картины функций свойств и взаимосвязей с другими компонентами программного обеспечения и аппаратуры компьютера.
Авторы настоящей книги ставили перед собой цель выстроить систему определений и рассмотреть основные свойства и примеры реализации тех или иных аппаратных и программных компонентов, функционирующих в компьютере, в их взаимосвязи, акцентировав основное внимание на понятии операционная система, на основах ее построения, примерах организации тех или иных частей наиболее распространенных на сегодняшний день ОС.
История появления и развития операционных систем целиком и полностью связана с развитием и становлением аппаратных возможностей компьютеров. Рассмотрим ключевые этапы этого процесса.
Первое поколение компьютеров: середина 40-х — начало 50-х годов XX века. Компьютеры этого поколения строились на электронно-вакуумных лампах. В 1946 г. в Пенсильванском университете США была разработана вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая считается одной из первых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Данная машина была разработана по заказу министерства обороны США и применялась для решения задач энергетики и баллистики. Производительность таких компьютеров измерялась от сотен до тысяч команд (операций) в секунду. Компьютер состоял из процессора, оперативного запоминающего устройства и достаточно примитивных внешних устройств: устройства вывода (вывод цифровой информации на бумажную ленту), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) — аппаратных средств хранения готовых к исполнению программы и данных (магнитные ленты), и устройства ввода, позволявшего вводить в оперативную память компьютера предварительно подготовленные на специальных носителях (перфокартах, перфоленте и пр.) программы и данные.
Изначально компьютеры первого поколения использовались в однопользовательском, персональном режиме, т.е. вся система монопольно предоставлялась одному пользователю, при этом программа и необходимые данные, представленные в машинных кодах в двоичном представлении, вводились в оперативную память, а затем запускалась на исполнение. Пользователь (программист) использовал аппаратную консоль (или пульт управления) компьютера для ввода и запуска программы чтения данных через устройства ввода. Результат выполнения программы выводился на устройство печати. В случае возникновения ошибки работа компьютера по выполнению команд программы прерывалась, и возникшая ситуация отображалась на индикаторах пульта управления, содержание которых анализировалось программистом. Программирование в машинных кодах привносило ряд проблем, связанных с техническими сложностями написания, модификации и отладки программы. Кроме того, в задачу программиста входило кодирование всех необходимых операций ввода/вывода с помощью специальных машинных команд управления внешними устройствами. В этот период от пользователя компьютера требовались не только алгоритмические знания и навыки решения конкретной прикладной задачи, но и достаточно хорошие знания организации и использования аппаратуры компьютера, доскональное знание системы команд и кодировки, используемой в данном компьютере, знание особенностей программирования устройств ввода/вывода, т.е. программист должен был быть, отчасти, и инженером-электронщиком. На этапе существования компьютеров первого поколения появился класс программ, обеспечивающих определенные сервисные функции программирования — это ассемблеры, первые языки высокого уровня и трансляторы для этих языков, а также простейшие средства организации и использования библиотек программ. Кроме того, можно говорить о зарождении класса сервисных, управляющих программ: представителями этого класса являлись программы чтения и загрузки в оперативную память программ и данных с внешних устройств. Эти программы были предопределены фирмой-разработчиком компьютеров и вводились в оперативную память с использованием аппаратной консоли. Так при помощи консоли было возможно вручную ввести в оперативную память последовательность команд, составляющих управляющую программу, и осуществить ее запуск. В случае если управляющая программа размещалась на внешнем запоминающем устройстве, через аппаратную консоль вводилась последовательность команд, обеспечивающих чтение кода управляющей программы в оперативную память и передачу управления на ее точку входа.
Компьютеры второго поколения: конец 50-х годов — вторая половина 60-х годов ХХ века. Традиционно, с компьютерами второго поколения связывается использование полупроводниковых приборов — диодов и транзисторов, которые по функциональной емкости, размеру, энергопотреблению в десятки раз превосходили возможности электронно-вакуумных ламп. В результате компьютеры второго поколения стали обладать существенно более развитыми логическими возможностями и в тысячи раз превосходили компьютеры первого поколения по производительности. Широкое распространение получили новые высокопроизводительные внешние устройства ЭВМ. Все это определило и активное совершенствование программного обеспечения и способов использования компьютеров. Можно с уверенностью утверждать, что реальное зарождение понятия операционной системы связано именно с появлением и совершенствованием архитектуры компьютеров второго поколения.
Этапом в развитии форм использования компьютеров стала пакетная обработка заданий, суть которой состояла в следующем. В компьютере работала специальная управляющая программа, в функции которой входила последовательная загрузка в оперативную память и запуск на выполнение программ из заранее подготовленного пакета программ. Пакет программ физически может быть представлен в виде «большой» стопки перфокарт, в которой программы находятся последовательно. В этом случае управляющая программа по завершении выполнения текущей программы осуществляет чтение очередной программы через устройство считывания перфокарт, загрузку ее в оперативную память и передача управления на фиксированную точку входа в программу (адрес памяти с которого должно начинаться выполнение программы). По завершении программы или после возникновения в программе ошибки, которая вызывает аварийную остановку выполнения программы, управление передается в управляющую программу (Рис. 1.).
- 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