5.1. Задачи операционной системы по управлению файлами и устройствами
Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограм-мной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:
организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;
согласование скоростей обмена и кэширование данных;
разделение устройств и данных между процессами;
обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;
поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;
динамическая загрузка и выгрузка драйверов;
поддержка нескольких файловых систем;
поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.
Рассмотрим перечисленные задачи более подробно.
Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора. Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы диск, принтер, терминал и т.п. снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать (например, вывести в виде текста в определенную область терминала или записать в определенный сектор диска). Под управлением контроллера устройство может некоторое время выполнять свои операции автономно, не требуя внимания со стороны центрального процессора.
Процессы, происходящие в контроллерах, протекают в периоды между выдачами команд независимо от ОС. От подсистемы ввода-вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большого количества разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера. При этом необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода, оставив как можно больше процессорного времени на выполнение пользовательских потоков.
Согласование скоростей обмена и кэширование данных. При обмене данными всегда возникает задача согласования скорости. Например, если один пользовательский процесс вырабатывает некоторые данные и передает их другому пользовательскому процессу через оперативную память, то в общем случае скорости генерации данных и их чтения не совпадают. Согласование скорости обычно достигается за счет буферизации данных в оперативной памяти и синхронизации доступа процессов к буферу.
В подсистеме ввода-вывода для согласования скоростей обмена также широко используется буферизация данных в оперативной памяти. В тех специализированных операционных системах, в которых обеспечение высокой скорости ввода-вывода является первоочередной задачей (управление в реальном времени, услуги сетевой файловой службы и т.п.), большая часть оперативной памяти отводится не под коды прикладных программ, а под буферизацию данных. Однако буферизация только на основе оперативной памяти в подсистеме ввода-вывода оказывается недостаточной. Разница между скоростью обмена с оперативной памятью, куда процессы помещают данные для обработки, и скоростью работы внешнего устройства часто становится слишком значительной, чтобы в качестве временного буфера можно было использовать оперативную память ее объема может просто не хватить. Для таких случаев необходимо предусмотреть особые меры, и часто в качестве буфера используется дисковый файл, называемый также спул-файлом (от spool шпулька, тоже буфер, только для ниток). Типичный пример применения спулинга дает организация вывода данных на принтер.
Другим решением этой проблемы является использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Такой подход особенно полезен в тех случаях, когда помещение данных на диск слишком замедляет обмен (или когда данные выводятся на сам диск). Например, в контроллерах графических дисплеев применяется буферная память, соизмеримая по объему с оперативной, и это существенно ускоряет вывод графики на экран.
Буферизация данных позволяет не только согласовать скорости работы процессора и внешнего устройства, но и решить другую задачу – сократить количество реальных операций ввода-вывода за счет кэширования данных. Дисковый кэш является непременным атрибутом подсистем ввода-вывода практически всех операционных систем, значительно сокращая время доступа к хранимым данным.
Поддержка широкого спектра драйверов и простота включения нового драйвера в систему. Достоинством подсистемы ввода-вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств. Прекрасно спланированная и реализованная операционная система может потерпеть неудачу на рынке только из-за того, что в ее состав не включен достаточный набор драйверов. В этом случае администраторы и пользователи вынуждены искать нужный им драйвер для имеющегося у них внешнего устройства у производителей оборудования или, что еще хуже, заниматься его разработкой самостоятельно.
Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью и т.д.), а с другой стороны, с контроллерами внешних устройств. Поэтому существует два типа интерфейсов: интерфейс «драйвер-ядро» (Driver Kernel Interface, DKI) и интерфейс «драйвер-устройство» (Driver Device Interface, DDI). Интерфейс «драйвер-ядро» должен быть стандартизирован в любом случае. Интерфейс «драйвер-устройство» имеет смысл стандартизировать в том случае, когда подсистема ввода-вывода не разрешает драйверу непосредственно взаимодействовать с аппаратурой контроллера и выполняет эти операции самостоятельно. Экранирование драйвера от аппаратуры является весьма полезной функцией, так как драйвер в этом случае становится независимым от аппаратной платформы. Подсистема ввода-вывода может поддерживать несколько различных типов интерфейсов DKI/DDI, предоставляя специфический интерфейс для устройств определенного класса.
Для поддержки процесса разработки драйверов операционной системы обычно выпускается так называемый пакет DDK (Driver Development Kit), представляющий собой набор соответствующих инструментальных средств библиотек, компиляторов и отладчиков.
Динамическая загрузка и выгрузка драйверов. Кроме проблемы разработки новых драйверов существует также проблема включения драйвера в состав модулей работающей ОС, т.е. динамической загрузки-выгрузки драйвера. Так как набор потенциально поддерживаемых данной ОС периферийных устройств всегда существенно шире набора устройств, которыми ОС должна управлять при установке на конкретной машине, то ценным свойством ОС является возможность динамически загружать в оперативную память требуемый драйвер (без останова ОС) и выгружать его после того, как потребность в поддержке устройства миновала, что может существенно сэкономить системную область памяти.
Альтернативой динамической загрузке драйверов при изменении текущей конфигурации внешних устройств компьютера является повторная компиляция кода ядра с требуемым набором драйверов, что создает между всеми компонентами ядра статические связи вместо динамических. Например, таким образом решалась данная проблема в ранних версиях операционной системы UNIX. При статических связях между ядром и драйверами структура ОС упрощается, но этот подход требует наличия исходных кодов модулей операционной системы, доступность которых скорее является исключением (для некоммерческих версий UNIX), а не правилом. Кроме того, в этом варианте работающую предыдущую версию операционной системы необходимо остановить и заменить новой, а перерывы в работе ОС в некоторых случаях недопустимы. Поддержка динамической загрузки драйверов является практически обязательным требованием для современных универсальных операционных систем.
Поддержка нескольких файловых систем. Диски представляют особый род периферийных устройств, так как именно на них хранится большая часть как пользовательских, так и системных данных. Данные на дисках организуются в файловые системы, и свойства файловой системы во многом определяют свойства самой ОС ее отказоустойчивость, быстродействие, максимальный объем хранимых данных. Популярность файловой системы часто приводит к ее миграции из «родной» ОС в другие операционные системы. Например, файловая система FAT появилась первоначально в MS-DOS, но затем была реализована в OS/2, семействе MS Windows и многих реализациях UNIX. Ввиду этого поддержка нескольких популярных файловых систем для подсистемы ввода-вывода так же важна, как и поддержка широкого спектра периферийных устройств. Важно также, чтобы архитектура подсистемы ввода-вывода позволяла достаточно просто включать в ее состав новые типы файловых систем без переписывания кода. Обычно в операционной системе имеется специальный слой программного обеспечения, отвечающий за решение данной задачи, например, слой VFS (Virtual File System) в версиях UNIX на основе кода System V Release 4.
- Рецензенты:
- Ответственные за выпуск:
- Оглавление
- Введение
- 1. Назначение и функции операционной системы
- 1.1. Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера
- 1.1.1. Управление процессами
- 1.1.2. Управление памятью
- 1.1.3. Управление файлами и внешними устройствами
- 1.1.4. Защита данных и администрирование
- 1.1.5. Интерфейс прикладного программирования
- 1.1.6. Пользовательский интерфейс
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 1.2. Сетевые операционные системы
- 1.2.1. Сетевые и распределенные ос
- 1.2.2. Два значения термина «сетевая ос»
- 1.2.3. Функциональные компоненты сетевой ос
- 1.2.4. Сетевые службы и сетевые сервисы
- 1.2.5. Встроенные сетевые службы и сетевые оболочки
- 1.3. Требования к современным операционным системам
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 2. Архитектура операционной системы
- 2.1. Ядро и вспомогательные модули ос
- 2.2. Ядро и привилегированный режим
- 2.3. Многослойная структура ос
- 2.4. Аппаратная зависимость ос
- 2.5. Переносимость операционной системы
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 2.6. Микроядерная архитектура
- 2.6.1. Концепция
- 2.6.2. Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры
- 2.7. Совместимость и множественные прикладные среды
- 2.7.1. Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов
- 2.7.2. Трансляция библиотек
- 2.7.3. Способы реализации прикладных программных сред
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3. Процессы и потоки
- 3.1. Мультипрограммирование
- 3.1.1. Мультипрограммирование в системах пакетной обработки
- 3.1.2. Мультипрограммирование в системах разделения времени
- 3.1.3. Мультипрограммирование в системах реального времени
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3.2. Мультипроцессорная обработка
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 3.3. Планирование процессов и потоков
- 3.4. Понятия «процесс» и «поток»
- 3.4.1. Создание процессов и потоков
- 3.4.2. Планирование и диспетчеризация потоков
- 3.4.3. Состояния потока
- 3.4.4. Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования
- 3.4.5. Алгоритмы планирования, основанные на квантовании
- 3.4.6. Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах
- 3.4.7. Смешанные алгоритмы планирования
- 3.5. Синхронизация процессов и потоков
- 3.5.1. Цели и средства синхронизации
- 3.5.2. Сигналы
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 4. Управление памятью
- 4.1. Функции операционной системы по управлению памятью
- 4.2. Типы адресов
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 4.3. Алгоритмы распределения памяти
- 4.3.1. Алгоритмы распределения без использования внешней памяти Распределение памяти динамическими разделами
- Распределение памяти перемещаемыми разделами
- 4.3.2. Алгоритмы распределения с использованием внешней памяти
- Свопинг и виртуальная память
- Страничное распределение
- Сегментное распределение
- Сегментно-страничное распределение
- Разделяемые сегменты памяти
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5. Ввод-вывод и файловая система
- 5.1. Задачи операционной системы по управлению файлами и устройствами
- 5.2. Специальные файлы
- 5.3. Логическая организация файловой системы
- 5.3.1. Цели и задачи файловой системы
- 5.3.2. Типы файлов
- 5.3.3. Иерархическая структура файловой системы
- 5.3.4. Имена файлов
- 5.3.5. Монтирование
- 5.3.6. Атрибуты файлов
- 5.3.7. Логическая организация файла
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.4. Физическая организация файловой системы
- 5.4.1. Диски, разделы, секторы, кластеры
- 5.4.2. Физическая организация и адресация файла
- 2048 Записей
- 5.5. Физическая организация fat
- Кластер № 17 – начальный кластер файла file1; кластер № 18 – начальный кластер файла file2
- 5.6. Физическая организация файловых систем s5 и ufs
- 5.7. Физическая организация файловой системы ntfs
- 5.7.1. Структура тома ntfs
- 5.7.2. Структура файлов ntfs
- 5.7.3. Каталоги ntfs
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.8. Контроль доступа к файлам
- 5.8.1. Доступ к файлам как частный случай доступа к разделяемым ресурсам
- 5.8.2. Механизм контроля доступа
- Имена файлов
- 5.8.3. Организация контроля доступа в ос unix
- Процесс
- Запрос операции
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- 5.8.4. Организация контроля доступа в ос Windows nt
- 5.8.5. Разрешения на доступ к каталогам и файлам
- Соотношение индивидуальных и стандартных разрешений для файлов
- Вопросы для самопроверки
- Контрольные вопросы
- Ответы на вопросы для самопроверки
- Лабораторные работы
- Методические указания для проведения лабораторных занятий и выполнения контрольной работы
- Лабораторная работа № 1 Системный реестр Windows 9x. Редактор базы данных регистрации
- Редактор системного реестра. Утилита regedit.Exe
- Командный файл системного реестра
- Утилита редактора системных правил Poledit
- Список ключей системного реестра
- Заблокировать возможность удаления принтеров.
- Заблокировать возможность добавления принтеров.
- Скрыть вкладку «Устройства» утилиты «Система».
- Скрыть вкладку «Профили оборудования» утилиты «Система».
- Лабораторная работа № 2 Администрирование сетевой ос Windows xp
- Установка удаленного терминала (Remote DeskTop Connection)
- Работа с Windows 2003 Server
- Утилиты панели управления
- Управление рабочей станцией
- Администрирование
- Конфигурирование сервера
- Управление контроллером домена
- Предоставление доступа к ресурсам сервера
- Привилегия клиента удаленного терминала
- Панель задач. Управление процессами
- Лабораторная работа № 3 Командные центры Windows 9х
- Утилита «Дата/время»
- Утилита «Клавиатура»
- Утилита «Мышь»
- Утилита «Специальные возможности»
- Утилита «Принтеры»
- Утилита «Шрифты»
- Утилита «Установка и удаление программ»
- Утилита «Система»
- Утилита «Язык и стандарты» Окно утилиты Язык и стандарты содержит вкладки Денежные единицы, Время, Дата, Региональные стандарты, Числа.
- Рабочий стол. Свойства рабочего стола
- Лабораторная работа № 4 Установка ос Fedora Core X. Режимы работы системы. Инсталляция приложений
- Подготовка жесткого диска к инсталляции ос Linux
- Программа редактирования разделов жесткого диска PowerQuest PartitionMagic 8.0
- Создать как: (Create as:) Logical Partition Тип раздела: (Partition type:) Linux Ext3 Размер: (Size:) 9500
- Инсталляция ос Fedora Core X
- Графический интерфейс gnome ос Linux
- Лабораторная работа № 4 Установка ос Fedora Core X
- Текстовый интерфейс ос Linux Алфавитно-цифровой терминал
- Режимы работы ос Linux
- Установка приложений в ос Red Hat
- Лабораторная работа № 5 Подсистемы управления ос
- Управление ресурсами ос Linux
- Графические утилиты управления процессами. Системный монитор
- Подсистемы управления, общие для всех ресурсов
- Администрирование в ос Red Hat. Локальные системы
- Пользовательский интерфейс
- Регистрация событий
- Лабораторная работа № 6 Файловые системы. Сетевые сервисы ос Linux
- Команды и утилиты, предназначенные для работы с файловыми системами
- Создание, редактирование и удаление разделов жесткого диска. Утилита fdisk
- Создание и локализация файловой системы
- Файловые службы и сетевые файловые системы
- Автомонтирование
- Сервисы Linux
- Список вопросов к контрольной работе
- Библиографический список