Лекции по Операционным Системам. Ввиде html

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

23. Буфер.

Состоит из заголовка и информации с диска.

Каждому блоку соответствует один буфер. Инъективное, сюръективное отношение.

Заголовок буфера

Состояния буферов.

заблокирован (занят, недоступен)

содержит правильную информацию

ядро должно переписать содержимое буфера на диск перед тем как переназначит буфер

ядро читает или записывает содержимое буфера на диск

процесс ждёт освобождения буфера

Структура области буферов.

Буферы организуются в ХЭШ очереди.

В зависимости от номера блока генерируется ХЭШ ключ, и буфер помещается в соответствующую этому ключу очередь.

Буфер, с которым не производится чтение и запись или операции дискового ввода вывода помещается в список свободных буферов.

ХЭШ- функция — это остаток от деления на 4.(№ блока mod 4)

Буферы, с которыми не производятся чтение/ запись процессом или операции дискового ввода/ вывода помещаются в список свободных буферов.

Если нам нужен буфер, то он выделяется из начала списка свободных буферов. В него заносится нужная информация с диска, и буфер помещается в конец этого списка.

С помощью алгоритма поиска буферов ядро помещяет запрошенную информацию в буферы, к которым наиболее долго не было обращения. После этого их нельзя использовать пока не будут задействованы остальные.

24. Подсистема управления процессами

Процесс— это последовательность операций при выполнении программы, которая представляет собой наборы байтов интерпретируемые ЦП, как машинные инструкции. Он состоит из текста, данных и стека.

Под текстом понимаются код, машинные инструкции.

Все процессы создаются системным вызовом fork().

Посмотреть системные процессы можно либо командой ps либо pstree.

fork порождает новый процесс. А чтобы запустить процесс с диска используется exec.

Когда программа лежит на диске в ней содержатся:

Стек состоит из логических записей активации, помещаемых в него при вызове функции.

Каждая запись состоит из параметров функции, её локальных переменных и данных для восстановления последней активации.

25. Процесс

Состояние процесса.

У процесса есть 10 состояний:

Процесс выполняется в режиме задачи.
Процесс выполняется в режиме ядра.
Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.
Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.
Процесс готов к запуску, но программа подкачки должна загрузить его в оперативную память прежде чем он будет запущен под управлением ядра.
Процесс приостановлен, и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память.
Процесс возвращён из режима ядра в режим задачи, ядро резервирует его.
Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии.
Процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен.
Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование.

Диаграмма переходов.

1 – 2 -делаем системный вызов, или возникает прерывание;

2 – 1 -возврат, иногда возврат происходит через 7 состояние;

9 –выход;

пока пользователь не введёт нужные данные, пребываем в состоянии 4;

после ввода переходим в состояние 3;

6 –можем выгрузить процесс во внешнюю память.

Применение:

1. Процесс выполняется. Он находится в состоянии 1. Это режим задачи. К примеру, он делает системный вызов => переходим в состояние 2. Сделали системный вызов на считывание кусочка файла => нам нужна дисковая операция => переходим в состояние 4. Находимся в 4 состоянии, пока не будет аппаратного прерывания. Когда оно пришло, переходим в состояние 3. Оказалось, что в системе недостаточно памяти => переходим в состояние 5. В какой-то момент он оказывается подходящим к запуску => переходим в состояние 3. В состоянии 2 нужные данные перекопировали, переходим в состояние 1.
2. Находимся в состоянии 1. Делаем системный вызов exit, переходим в состояние 2, а потом в состояние 9.

Находимся в состоянии 1. Аппаратно пришло прерывание => обработчик прерывания перевёл процесс в состояние 2, где произвелась обработка прерывания, и процесс перешёл в состояние 1.

Режимы:

1.Режим задач

2.Режим ядра

3.Возобновление

4.Сон

5,6.Процесс находится на устройстве выгрузки

7.Готов к запуску

8.Процесс создан, но ещё не выполняется

9.Завершение процесса

26. Контекст процесса.

Это вся информация необходимая для его описания.

Уровни и слои контекста:

В контекст процесса не входят текст ядра и глобально-информационные структуры операционной системы.

Слои контекста

Пять уровней прерываний:

машинный сбой (самый высокий уровень);

системный таймер;

дисковые прерывания;

сетевые прерывания;

терминальные прерывания;

программные прерывания (самый низкий уровень).

Ядро помещает контекстный слой, когда возникает прерывание, или программа делает системный вызов.

Ядро выталкивает контекстный слой, когда происходит завершение обработки прерывания либо возврат в режим задачи, т.е. в состояние 1.

27. Сохранение контекста.

Происходит в следующих случаях:

возникает прерывание
делают системный вызов

происходит переключение контекста

Системный вызов можно рассматривать как внутреннее прерывание операционной системы.

Алгоритм системного вызова:

найти запись в таблице системных функций;
определить число параметров и скопировать их из адресного пространства задачи;
сохранение контекста;
запуск системного вызова;
№ ошибки записывается в регистр общего назначения;
возврат;

восстановление контекста.

Переключение контекста.

процесс переходит в состояние сна (состояние №4);

процесс делает системный вызов txit и завершает работу;

процесс переходит в режим задачи после обработки прерывания;

процесс переходит в режим задачи после системного вызова.

Алгоритм переключения контекста:

принять решение о необходимости и допустимости переключения контекста;
сохранить контекст;
выбрать подходящий процесс;
восстановить его контекст.

28. Уровни и слои контекста

Уровни контекста:

Пользовательский(текст, данные, стек задачи)
Регистровый(РОН, состояния процессора, указатель на вершины стека, счётчик команд)
Системный(таблица строк, таблица процессов, часть адресного пространства процессора)

процесс переходит в состояние сна (состояние №4);

процесс делает системный вызов txit и завершает работу;

процесс переходит в режим задачи после обработки прерывания;

процесс переходит в режим задачи после системного вызова.

Алгоритм переключения контекста:

принять решение о необходимости и допустимости переключения контекста;
сохранить контекст;
выбрать подходящий процесс;
восстановить его контекст.

Формат памяти системы.

Текст содержит адреса:

команд;
данных;
стека.

Если адреса физические, то два процесса выполняться не смогут. Если же адреса физические и непересекающиеся, то не смогут выполняться два одинаковых процесса.

В UNIX-е используется виртуальная адресация.

31. Диспетчеризация процессов.

Ядро предоставляет процессу ресурсы центрального процессора на интервал времени квант, по истечению которого выгружает этот процесс и запускает другой, а также периодически меняет порядок в очереди процессов.

Если же готовы к выполнению задач несколько процессов, то они выстраиваются в очередь исходя из приоритета.

Ядро пересчитывает приоритеты и переключает контекст на процесс с наивысшим приоритетом.

Время в системе поддерживается с помощью аппаратного таймера, который посылает центральному процессору прерывание с фиксированной частотой.

КР580ВИ53 — аппаратный таймер.

Приоритет состоит из двух частей:

-статическая – определяется при запуске процесса

-динамическая – зависит от того, сколько процесс ждёт выполнения.

Планирование и выполнение процессов. Действия планировщика.

Выбирается процесс с наивысшим приоритетом из находящихся в состояниях резервирования и готовность к выполнению.
Если таких процессов несколько, то выбирается тот, который дольше всех находится в очереди.
Если таких процессов нет, то ждём следующего прерывания по таймеру (тика).
Удаляем выбранный из очереди готовных к выполнению.
Переключение на контекст выбранного процесса.

32. Работа в режиме реального времени.

Когда процессы ждут прерывания, они находятся в режиме сна. Приходит прерывание => процессы переходят в режим готовности к запуску.

Режим реального времени подразумевает возможность обеспечения достаточной скорости при обработке внешних прерываний и выполнении отдельных процессов в темпе, соизмеримом с частотой возникновения вызывающих прерывания событий.

Системные операции, связанные со временем.

stime — устанавливает системное время в секундах, начиная с семидесятого года;

time — выдать время в секундах, начиная с семидесятого года;

times — возвращает суммарное время выполнения процесса и всех его потомков.

alarm — процесс посылает себе сигнал будильника;

(Пример будильника:)

main ( )

{

extern wakeup ( );

signal (SIGALARM, wakeup);

while (1);

{

alarm (5);

pause ( );

}

}

Опишем wakeup, обрабатывающий сигнал будильника:

wakeup ( )

{

printf (“Я проснулся”);

}

В цикле заряжаем будильник на пять секунд. Процесс приостанавливается. Через пять секунд приходит сигнал будильника SIGALARM, и мы вызываем wakeup.

Таймер.

Функции программы обработки прерываний по таймеру:

Перезапуск часов для выполнения, следующего тика.
Вызов на выполнение функций ядра, использующих встроенные часы.
Поддержка возможности выполнения процессов.

time prog1

Программа prog1 вызывается на выполнение, и после выполнения выдается, сколько секунд она выполнялась.

Сбор статистики о системе и протекающих в ней процессах.
Слежение за временем.
Посылка процессом сигналов будильника по запросу.
Периодическое возобновление процесса подкачки.
Управление диспетчеризацией процессов.

33. Управление памятью.

Рассмотрим, как в системе происходит операция свопирования.

Функции подсистемы управления памятью:

Решает, какие процессы следует размещать в памяти.
Управляет участниками виртуального пространства.
Переписывает процессы во внешнюю память.
Помещает данные с устройства выгрузки в основную память.

Две стратегии управления памятью:

Своппинг (swap) –это, когда основная память обменивается с устройством выгрузки процессами целиком.

Подкачка по обращению (demand paging) – обмен производится страницами.

34. Свопинг.

Рассмотрим три основных функции своппинга:

Управление пространством в свопе (на устройстве выгрузки).
Выгрузка процессов.
Подкачка процессов.

Управление пространством в свопе.

Своп — это устройство блочного типа, чаще всего раздел диска.

Если в файловой системе используются суперблоки, то в свопе используется карта памяти устройства.

Карта состоит из строк, в которых содержится адрес распределяемого ресурса и количество единиц этого ресурса.

В начальный момент в карте памяти устройства одна строка

Выгрузка процесса в своп

Производится когда возникает системный вызов fork.
Когда процесс увеличивает свои размеры

Когда необходима процессу необходима физическая память

Выгрузкой загрузкой процессов занимается процесс подкачки. Он всегда выполняется в режиме ядра и имеет номер 0.

Алгоритм выгрузки

Процесс подкачки уменьшает счётчик числа ссылок на область на 1.
Выделяет место в SWAP.
Блокирует процессы в памяти.
Выгружает из областей, где счётчик числа ссылок равен 0, непустые страницы через КЭШ.

Загрузка или подкачка процесса

SWAPPER— название алгоритма.

Выбирают готовый к выполнению процесс, дольше всех лежащий в свопе (если нет подходящих, то делают приостанов).
Загружают его.

Выгрузка

Выбирают процесс, который дольше спит (или дольше всего в памяти)
Выгружают его.

35. Подкачка по запросу (по обращению)

Demand paging

Основная память обменивается с внешней памятью не процессами, а страницами.

Этот способ должен иметь аппаратную поддержку: страничную организацию памяти и центральный процессор, имеющий прерываемые команды.

Отсутствуют ограничения на размер процесса, обусловленные объёмом физической памяти.

Рабочее множество процесса

Это совокупность страниц, использованных процесом в последних n-ссылках.

n — окно рабочего множества.

Когда процесс обращается к странице, отсутствующей в его рабочем множестве, возникает ошибка, при обработке которой ядро корректирует рабочее множество процессов, а в случае необходимости подкачивает страницы с внешнего устройства.

Ошибки — это обращения к несуществующим страницам.

Откачка страниц

Сборщик страниц — процесс, принадлежащий ядру и выполняющий выгрузку из памяти тех страниц, которые больше не входят в состав рабочего множества пользовательского процесса.

Запускается в любой момент, когда в нём возникает необходимость.

Он просматривает все активные незаблокированные области и увеличивает значение возраста принадлежащим им страницам.

У страницы два состояния — либо она дозревает, либо она готова к выгрузке.

Процесс старения

В ядре при компиляции задаются две отметки:

Ядро возобновляет работу сборщика страниц, когда доступная свободная память имеет размер недотягиваюший до нижней допустимой отметки.

Обработка ошибок.

Существует два вида ошибок при обращении к странице:

1. отсутствие данных;
2. отказ системы защиты.

Когда процесс пытается обратиться к недоступной странице, возникает прерывание, и процессор запускает программу обработки прерываний по отказу данного типа. Если информация отсутствует в системе, то ядро посылает процессу сигнал нарушения сегментации.

Если ссылка на страницу сделана правильно, то ядро выделяет физическую страницу в памяти и считывает в неё содержимое виртуальной страницы с устройства выгрузки или из исполняемого файла.

Системы смешанного типа со свопингом и подкачкой по запросу.

Несмотря на то, что подкачка по запросу отличается гибкостью, возможна ситуация, когда сборщик страниц не сможет достаточно быстро освободить место в памяти из-за того, что все страницы принадлежат рабочему множеству процессов. Выход из этого в том, чтобы комбинировать подкачку по запросу и свопинг.

Когда ядро не может выделить процессу страницы памяти, оно возобновляет работу процесса подкачки и переводит процесс в состояние эквивалентное готовности к запуску будучи зарезервированным.

36. Управление вводом/ выводом.

Подсистема управления вводом/ выводом позволяет процессам поддерживать связь с периферийными устройствами.

Периферийные устройства — это терминалы, принтеры, сети.

Драйверы — модули ядра, которые управляют устройствами.

Каждому устройству соответствует один драйвер. Возможна ситуация, когда для однотипных устройств используются разные драйверы.

Стадии конфигурации драйвера:

при подключении модуля
для plug-and-play устройств

Результатом конфигурации является заполнение таблицы ключей. В таблице можно выделить два поля:

При обращении к жёсткому диску ядро смотрит тип устройства (оно содержится в имени файла).

Существует два вида устройств:

символьные
блочные

Соответственно бывают блочные и символьные файлы. /dev/ — каталог, в котором они хранятся.

Для работы с блочными используются команды open, close, read, write. А для работы с символьными ioctl (для вызова). Создаются файлы командой mknod:

mknod имя_файла тип ст. № устр-ва мл. № устр-ва

(Пример): для создания файла, который будет отвечать за COM1:

mknod /dev/tty/ S0 C 4 64

Старший номер устройства — это тип устройства, который указывается в таблице ключей, а младший номер — это номер устройства данного типа.

Возникновение прерывания побуждает ядро запускать программу обработки прерывания для данного типа устройств (тип устройства определяется по вектору), передавая ей номер устройства.

37. Взаимодействие процессов

Механизмы взаимодействия позволяют процессам обмениваться данными и синхронизировать выполнение.

Способы взаимодействия:

передача сигналов;
непоименованные каналы;
поименованные каналы;
используя текст IPC;
через систему сокетов.

Непоименованные каналы

Применяются только при взаимодействии между процессом и его потомком.

Создаётся дескриптор, состоящий из двух элементов:

int fdp [2];

Командой pipe (fdp) он определяется.

Потомка можно создавать функцией fork.

Взаимодействие между потомком и предком будем осуществлять, используя канал pipe.

Записывать будем с помощью write (fdp [1]);

Читать с помощью read (fdp [0]).

Поименованный канал

При работе с поименованным каналом создаём специальный файл:

Blog

Лекции по Операционным Системам. Ввиде html

23. Буфер.