Комплекс программ, предназначенный для обеспечения определенного уровня эффективности вс (вычислительной системы) за счет автоматизированного управления ее работой и предоставления пользователю определенного рода услуг.

Вид материала

Документы

Содержание Дисциплина: следующий с кратчайшим заданием SJN (short job next). Многоуровневый циклический алгоритм FB. 2.3.Смешанный алгоритм RR+FB. 3.1.Дисциплины с фиксированным приоритетом. 3.2.Дисциплины с динамическим приоритетом. 1)Дисциплина: следующий с минимально оставшимся временем SRT. 2)Дисциплина: следующий с наивысшим отношением отклика HRRN. Дисциплины с несколькими очередями. 1. Однократно используемые 4. Повторно входимые программные модули Оперативная память Сегментно-страничная организация. Алгоритм замещения страниц. Управление вводом/выводом. Схема работы. Нижний уровень. 1.Одинарный буфер 2. Двойной буфер Запись – набор связанных между собой полей. Записи могут быть переменной или фиксированной длины. Файл Логическая структура файла (4 типа структур) ... Полное содержание

Подобный материал:

• Лекція 3 "Економічна інформатика" Тема 3-б. Системне забезпечення інформаційних процесів, 122.94kb.
• Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы, 1557.26kb.
• Информационные технологии управления образовательным процессом в вузе, 60.11kb.
• Брэнда, 119.55kb.
• Контрольная работа по предмету: Технические средства управления. Тема: Состав и значение, 1075.78kb.
• Тема № introduction to economics (part, 41.29kb.
• Лекции по дисциплине Операционные системы 2005, 453.05kb.
• Системные программы обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы, 72.25kb.
• Курсовой проект расчет определенного интеграла, 190.12kb.
• Сетевые операционные системы. Функции, классификация, 261.98kb.

Дисциплина: следующий с кратчайшим заданием SJN (short job next).

Приоритет- время выполнения.

Состоит в минимизации общего времени ожидания => среднего времени ожидания. Среднее время ожидания коротких процессов меньше, чем длинных, т.к. появляется приоритет. Для этой дисциплины надо использовать дисциплину гарантированного окончания процесса. В этом случае ОС должна просматривать очередь процессов и повышать приоритет некоторых процессов, перемещая их тем самым в зону выполнения. Растет дисперсия среднего времени ожидания .


2.Циклические дисциплины (или с перераспределением)


2.1.Круговой циклический алгоритм RR.

1. Каждому процессу выделяется некоторый квант времени q, и если к окончанию этого кванта процесс не был заблокирован, то он снимается с процессора с помощью аппаратного прерывания и ставится в конец очереди к процессору до получения следующего кванта q. Процессор предоставляется следующему готовому процессу из очереди.
   

+ учет старения процессов, увеличивается приоритет коротких.

Размеры кванта настраиваемы для разных дисциплин обслуживания.

2. Многоуровневый циклический алгоритм FB.
   

Сущ-ет несколько очередей. Есть входная очередь (очередь уровня 1)

Дисциплины с несколькими очередями – процессы делятся на классы, и каждый класс делится на очереди. Для каждой из очередей – своя дисциплина диспетчеризации.


(Процессор перевёлся в очередь 2 с более низким приоритетом)

Низкоприоритетные очереди наз-ся фоновыми.


2.3.Смешанный алгоритм RR+FB.

Смешанный алгоритм – каждый из процессов в очереди обслуживается несколько раз, только после этого переводится в следующую очередь.


Особенности бесприоритетных циклических дисциплин

1. Обслуживают короткие заявки с неявным приоритетом
   
2. Не требуют предварительной инф-ии о времени выполнения
   
3. Уменьшение длительности ожидания коротких процессов происходит за счет увеличения длительности ожидания длинных процессов
   

3.Приоритетные дисциплины диспечеризации процессов

Право на внеочередное обслуживание.

Происходит на основе:

1.Статических характеристик процесса, задания внешнего статического приоритета (требует ОП).

2.Динамических характеристик (формир-ся в процессе выполнения)


3.1.Дисциплины с фиксированным приоритетом.

Процессы попадают в ту очередь, куда их определили. Приоритеты не меняются.



Особенность: нет возможности настраивать характеристики в процессе выполнения.


3.2.Дисциплины с динамическим приоритетом.

Приоритет меняется в процессе выполнения. Для изменения приоритета используются временные характеристики времени выполнения и ожидания.

1)Дисциплина: следующий с минимально оставшимся временем SRT.

Оставшееся время- разность между временем, запрошенным процессом и временем, которое он уже получил.

Исп-ся для диспетчеризации интерактивных процессов.

2)Дисциплина: следующий с наивысшим отношением отклика HRRN.

Для каждого процесса вычисляется отношение отклика: R=(W+S)/S, где

W- время отклика процесса. S- время обслуживания процесса.

R=1 , если W=0.

Чтобы повысить качество обслуживания, нужно повысить приоритет.

Динамические дисциплины сложнее в реализации.

Дисциплины с несколькими очередями.

Процессы делятся на классы и каждый класс обслуживается по-разному.

Связь процессов с определенной очередью может быть статичной или динамической.

Статичная – после снятия процесса с процессора, он помещается в ту же очередь, в которой был.

Динамическая (в другую очередь) – дисциплина с обратной связью; может произойти увеличение или снижение приоритета.


Гарантии обслуживания

3 основных способа гарантии обслуживания :

1.Выделять минимальную долю процессорного времени классу процессов, если хотя бы один процесс готов к выполнению.

2. Выделять минимальную долю процессорного времени процессу, готовому к выполнению.

3.Выделять процессу столько времени, сколько ему необходимо(до указанного предела).


Вопрос 16. Структуры объектных модулей программ. Способы использования объектных модулей.



Особенности распределения оперативной памяти.

1. Потребности пользователя опережают возможности системы (памяти не хватает).
   
2. Пользователь должен работать не на физическом, а на некотором логическом уровне, который предоставляет более удобные средства для работы с оперативной памятью.
   
3. Алгоритм распределения оперативной памяти должен быть согласован с алгоритмом распределения процессов для обеспечения функционирования системы в мультисистеме.
   

Структура объектных модулей программ.

1. Унитарная структура (структура без внешних связей с другими модулями).
   
2. С внешними ссылками – модули, которые имеют связи с другими модулями с помощью механизма внешних ссылок.
   
3. Сегментная структура – в этом случае модуль(программа) разбивается на некоторые сегменты, каждый из которых хранит в себе часть модуля(программы). Она формируется на этапе компиляции.
   

Способы использования объектных модулей программы.

1. Однократно используемые. В процессе выполнения они портят код, данные. Выполняются однократно, на этапе загрузки.

2. Многократно используемые.

• непривилегированные программные модули – обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы; предназначаются для выполнения одного процесса.
  
• привилегированные программные модули – модули, которые работают в привилегированном режиме. При отключенной системе прерывания последовательное использование. Структура состоит из 3-х частей: отключение системы прерывания, выполнение тела модуля, включение системы прерывания.
  

3. Реентерабельные – дополнительное повторное обращение, которое допускает многократное прерывание и повторный запуск из других процессов. В этих модулях используется сохранение промежуточных вычислений и возврат к ним, когда процесс восстановлен. Сохранение промежуточных вычислений обеспечивается с помощью статических и динамических методов.


При статическом методе резервируется область памяти, сохраняющая значение для фиксированного числа вычислительных процессов.

При динамическом методе структура модуля следующая:

• выполняется привилегированный модуль, запрашивающий в системе блок ячеек для сохранения результата;
  
• выполняется основное тело реентерабельного модуля, которое моет быть прервано;
  
• привилегированный модуль, который освобождает блок ячеек, который мы запросили вначале.
  

4. Повторно входимые программные модули – состоят из секций. Каждая секция представляет собой привилегированный программный модуль. Секцию прервать нельзя. Но при передаче управления в следующую секцию модуль может быть прерван. Модули допускают повторное параллельное использование, но прерывать их можно только в строго определенных точках (при переключении между секциями).


Вопрос 17. Отображение программных модулей на оперативную память. Частные случаи отображения.



Отображение программных модулей на ОП.

Каждая программа на исходном языке имеет неупорядоченное пространство имен: имена переменных, секций, входных точек. Имя пр-ву имен присваивает программист.

Оперативная память – это упорядоченное множество ячеек. Количество этих ячеек ограничено и фиксировано. Системное программное обеспечение должно связать каждое имя исходного пространства имён с ячейкой ОП.

Отображение осуществляется в 2 этапа:

1. Системное программирование на основе логических или символьных имен формирует виртуальное адресное пространство программы, т.е. множество допустимых двоичных адресов. Может иметь как двоичную форму, так и символьную. Это виртуальное адресное пространство не зависит от физической памяти, а зависит от системы программирования и архитектуры микропроцессора, оно создаёт адреса модулей, которые программа использует при своём выполнении. Осуществляется компоновка адресного пространства.
   
2. 2-ой этап производит ОС. ОС с помощью программных модулей управляет памятью, производит отображение виртуального адресного пространства на физическую память.
   

Частные случаи отображения.

1. Виртуальное адресное пространство программы тождественно адресам физической памяти ОП (абсолютно двоичная программа, нет отображения, т.к. адреса уже связаны с ОП).
   
2. Виртуальное адресное пространство тождественно пространству исходных имен программы (схема интерпретации).
   

Вопрос 18-19.

18. Управление оперативной памятью. Свопинг, смежное и несмежное размещение процессов.
19. Управление оперативной памятью. Страничная, сегментная и сегментно-страничная организация оперативной памяти.



Методы управления памятью.

1. Swapping (свопинг). Этот метод управления основан на том, что процессы, располагаются до выполнения во внешней памяти. При выделении процессора процессу, он перемещается в оперативную память (swap in). Как только процесс забирает процессор, процесс помещается во внешнюю память (swap out) – выгружается из ОП (полный свопинг). Исп-ся так же модифицированный свопинг, который предполагает, что свопинг начинается только в том случае, когда число процессов в ОП превышает какое-то число, заданное ОС.
   

2. Смежное размещение процессов в ОП. В этом случае для каждого процесса выделяется непрерывный участок адресного пространства.
   

2.1.Простейший случай – однопрограммный режим, когда в ОП находится только одна программа, после её выполнения память освобождается.

2. 2-ой случай – мультипрограммирование с фиксированным числом разделов(MFT).
   

В этом случае ОП разбивается на разделы фиксированного размера и в каждый раздел загружается только один процесс.

MFT

Этому методу присуща фрагментация (внутренняя и внешняя). Внутренняя: размер процесса меньше раздела ОП;

Внешняя: размер процесса больше раздела ОП.


2.3. Мультипрограммирование с переменными разделами(MVT). В этом случае границы раздела не фиксируются и вначале фрагментации нет. Те же режимы для внутренней и внешней фрагментации.


2.4.Мультипрограммирование с переменными разделами и уплотнением памяти. В этом случае используется перемещение процессов по ОП. Перемещает чтобы не было свободных областей. Фрагментации не будет.

3. Несмежное размещение процессов. Процесс разбивается на множество частей, которые располагаются в различных необязательно смежных участках адресного пространства.
   

3.1.При сегментном способе организации ОП процесс разбивается на ряд сегментов, нет условия равенства. Они могут быть разными. Логический адрес ячейки памяти при сегментной организации состоит из двух частей: номер сегмента S и смещение ячейки в пределах сегмента d. ОС для каждого процесса ведёт таблицу сегментов процесса.

Для управления памятью в этом случае должен быть регистр таблицы сегментов, который содержит адрес таблицы сегментов. Она даёт адрес строки в таблице, которая соот-ет данному сегменту.

Сегментной организации присуща внутренняя и внешняя фрагментация.

Достоинство: можно разбить процесс на логические части.



Для каждого процесса своя таблица сегментов.


3.2.Страничная организация памяти ОП.

Адресное пространство ОП и внешней памяти, в котором размещается процесс, разбивается на блоки фиксированного размера, которые разбиваются страничными рамками. Логическое адресное пространство программы разбивается на блоки фиксированного размера, которые называются страницами. Размеры страниц и страничных рамок совпадают. Процесс в этом случае помещается в ОП постранично. Каждая страница перемещается в любую страничную рамку. При этом внешняя фрагментация полностью ликвидируется, а внутренняя ограничивается размерами последней страницы.

Адрес состоит из 2-ух частей: 1.Адрес страницы. 2. Смещение внутри страницы(номер ячейки внутри страницы).

В ОС используется страничная организация памяти (в соответствии с возможностями процессора Intel 80386 и более новых), страницы выделяются по требованию приложения. Система использует 32битную, “плоскую”, линейную модель памяти. Каждому приложению выделяется уникальное виртуальное адресное пространство размером в 4Гб. Верхние 2Гб адресного пространства используются ОС и приложением совместно, а нижние 2Гб принадлежат исключительно приложению. Это виртуальное адресное пространство разделено на равные блоки – страницы. Размер каждой страницы – 4096 байт (4Кб), выбор страниц такого размера обусловлен архитектурой микропроцессоров семейства Intel, которые имеют аппаратную поддержку страниц такого размера.

Страницы памяти могут быть выгружены из физической памяти в файл подкачки на диске. Как только процесс снова затребует выгруженные страницы, ОС помешает их с диска в физическую память.

Менеджер виртуальных машин(VMM) обеспечивает преобразование виртуальных (логических) адресов страниц памяти каждого приложения в реальные физические адреса в оперативной памяти компьютера. Таким образом от приложения скрыта реальная организация и распределение памяти в системе. Каждый поток запущенного процесса имеет свободный доступ к памяти, выделенной всему процессу, но мне может получить доступ к областям памяти других процессов.

В среднем до 30% инструкций каждого приложения – это инструкции доступа к памяти, но преобразование виртуальных адресов в физические осуществляется программно, этим и объясняется довольно медленная работа ОС на казалось бы относительно быстрых микропроцессорах (Pentium 100, 133, 166, 200…). Но такая схема работы ОС вполне оправдана, так как система работает значительно устойчивее и надежнее.

3.3. Сегментно-страничная организация.

Позволяет сочетать преимущества обеих организаций (сегментная – распределение процесса на отдельные модули, страничная – позволяет уменьшать фрагментацию). Разбиение на сегменты, которые состоят из страниц. Адрес состоит из 3-ёх полей: 1.Адрес сегмента. 2.Адрес страницы. 3. Смещение внутри страницы(номер ячейки внутри страницы). Для каждой таблицы сегмента строится таблица страниц сегмента.





Вопрос 20-21.

20. Технология виртуальной памяти. Алгоритмы замещение страниц.
21. Двухуровневая страничная организации виртуальной памяти.


Виртуальная память.

ВП – технология, которая позволяет выполнять процессы, которые лишь частично располагаются в ОП. Это позволяет располагать больше программ, размеры которых выше физической памяти. ВП чаще всего реализуется на базе страничной организации памяти, совмещенной со свопингом страниц. Каждому процессу предоставляется соответствующее непрерывное адресное пространство, которое включает как ОП(valid), так и ВП (внешнюю память-invalid).

Обращение к invalid- стр. недостаточность. Тогда ос загружает необх стр в оп – valid.

Она разбивает на страницы или сегменты, которые могут находиться как в ОП, так и во внешней памяти. Могут использоваться методы, рассмотренные выше. Только каждая строка должна дополняться полем «бит присутствия», который указывает, где находится страница (ОП или внешняя память). Если при вычислении адреса окажется, что страница находится во внешней памяти, то возникает событие – страничная недоступность, которая вызывает прерывание процесса и передачу управления ОС. В функции ОС входит загрузка требований страницы в ОП.

Страницы, если не в ОП, то в области свопинга. Для этой области используется высокоскоростное устройство – Swapdevice. В большинстве систем для каждого процесса используется одна глобальная таблица страниц. При этом при большом размере процессов таблица страниц может быть достаточно большой.



т.е. в таблице 2²² записей. Они могут находиться целиком или частично в виртуальной памяти.

Для организации хранения страниц в виртуальной памяти и минимизации страниц используется двухуровневая страничная организация виртуальной памяти.




Достаточно хранить каталог, можно организовать Х*У страниц. Если каждая строка в каталоге КТС 4 б.

А размер КТС - 4 Кб, то число строк в КТС = 1024 (Х)

Число страниц Х*У.

Если теперь умножить на размер страницы в ТС- 4 кБ, то получим 4 Гб ВП.

Алгоритм замещения страниц.

ОС при страничной недостаточности прерывает процесс. Может оказаться, что все страничные рамки заняты мы должны выполнить операцию свопинга.

Алгоритмы.

1. Уменьшение на 1 количества мультипрограммной смеси.
   
2. Приостановка процесса, который требует страницы до тех пор, пока они не освободятся.
   
3. Замещение страниц
   
   1. замещается та страница, которая дольше всего находится в ОП (наиболее «старая» страница);
      
   2. замещается та страница, на которую нет ссылок на протяжении большого периода времени.
      
   3. Случайно удалённая страница ОП помещается в свопинг файл, а из swap может потом подгрузиться.
      
   4. По вероятности использования.
      
   5. Удаление по приоритетам (наиболее эффективно)
      

Вопрос 22. Задачи программного обеспечения ввода/вывода(в/в). В/в без использования и с использованием прерываний. Прямой доступ к памяти. Синхронный и асинхронный в/в.


Управление вводом/выводом.

Ввод/вывод – обмен данными между процессом и внешним устройством.

Задачи ПО ввода/вывода.

1. Обеспечение независимости от устройств, т.е. мы можем писать программы без предварительного указания устройств, способные получать сообщения ввода/вывода без дополнительных устройств.
   
2. Единообразное именование. Имя устройства или файлов должно быть текстовой строкой или числом(не должно зависеть от внешнего устройства).
   
3. Обработка ошибок ввода/вывода должна быть реализована как можно ближе к аппаратному уровню (повторная запись или прочитывание).
   
4. Способ переноса данных – синхронный (блокирующий, супервизор заканчивает операцию -процесс активизируется) либо асинхронный(после запуска программы ввода/вывода происходит прерывание, процессор переключается на другие виды задач (в режиме мультипрограммирования)), управляющий прерываниями.
   
5. Буферизация данных. Часто данные, поступающие в устройство вв/выв, не могут быть сразу отправлены адресату т.к. может происходить:.
   

- Предварительный анализ

- в устройствах реального времени важно время поступления данных, необходимо согласовать время внешних устройств со временем считывания и записью в ОП.

Чаще всего внеш устройства медленнее, чем ОП и процессор. t не совпадают. Используется буферизация (однако это приводит к понижению производительности).

6. Задача выделенных устройств и устройств коллективного пользования .Отдельные устройства в/в могут использоваться несколькими пользователями, это не должно приводить к конфликтам(устройства коллективного пользования). Выделенные устройства используются в монопольном режиме (запрос- использование- освобождение). ОС обеспечивает коллективный или выделенный доступ
   

Уровни ввода – вывода.

1. Верхний уровень. ОС предоставляет приложению высокоуровневый интерфейс, позволяющий работать с созданными системами для некоторых виртуальных устройств. Этот интерфейс зависит от ОС.
   
2. Нижний уровень. Обеспечивает интерфейс (управление) с аппаратным обеспечением.
   

1. Языковой интерфейс. Предоставляется на уровне языка (программа производителя).
   

Запрещается прямое программирование устройств ввода/вывода. Ввод/вывод осуществляется путем запроса сервисом ОС с помощью системных вызовов.

2. Системные вызовы. Отделяет пользовательский уровень от ОС.
   

Независимый от языка интерфейс ввода/вывода.

3. Уровень ОС.
   

Управления ввода/вывода определяет тип устройства, конкретно определяет модуль управления устройством (драйвер).

Эти 3 модуля составляют процесс организации ввода/вывода на прикладном уровне, который предполагает переключение привилегий (либо пользователь, либо ОС) и некоторые команды для работы с буфером. Для организации ввода/вывода есть область буфера для данного типа устройств.



Драйвер.

Должен быть сертифицирован (автоматизирован), т.е. должен знать все детали устройства. Этот процесс работает с теми же командами, что и прикладной процесс. 1 процесс на 1 устройство.

1. Интерфейс ввода/вывода представляется в виде набора процедур, вызываемых приложением управления для выполнения операций ввода/вывода.
   

В разных языках программирования интерфейс разный.

2. ОС предоставляет высокоуровневый интерфейс системных вызовов, который позволяет работать с созданными системой виртуальными устройствами, управление которыми намного проще, чем реальными.
   
3. Программно-аппаратный интерфейс внешнего устройства. Буферы являются критическими ресурсами в отношении к прикладным процессам и внешним программам. Через него данные посылаются от некоторого процесса в адрес внешнего устройства (вывода на внешнее устройство) либо от внешнего процесса передается программному.
   

Получить буфер, освободить буфер. Записать в буфер и считывать байты из буфера. Необходимо обеспечивать синхронизацию процесса, т.е. драйвер должен иметь возможность получать данные из буфера, не дожидаясь, пока все данные не поступят из прикладного процесса в буфер (при выводе) и, с другой стороны, прикладной процесс должен иметь возможность получить данные из буфера частями.

Технология ввода – вывода(с/без прерываний).

1. Способы ввода/вывода. Существует 3(2!по лекц) основных способа: 2 связанных с использованием центрального процессора и 1 без.
   

Программируемый ввод/вывод с режимом опроса готовности (без использования системы прерываний). Когда процессор встречает команду ввода/вывода, то он выполняет ее и передается информация соответствующим модулям управления ввода/вывода. После окончания ввода/вывода соответствующие аппаратно программируемые модули ввода/вывода устанавливают некоторые соответствующие биты в регистрах состояния ввода/вывода – ввод/вывод завершен. В этом случае процессор сам контролирует окончание ввода/вывода, проверяя соответствующие регистры состояния ввода/вывода.

2. Режим обмена с прерыванием. В этом случае после выдачи очередной команды по управлению вводом/выводом происходит прерывание процесса. После выполнения ввода/вывода устройство ввода/вывода генерирует прерывание, сигнализирующее о завершении операции. В этом случае асинхронное управление. Для того, чтобы не потерять связь с устройством в/в чаще всего запускается некоторый отсчет времени, в течение которого устройство должно обязательно выполнить команду в/в и выдать сигнал запроса на прерывание (time out). Если прерывание не поступило, то ОС считает, что связь с устройством потеряна и сигнализирует об этом прикладному процессу.
   
3. Прямой доступ к памяти. В/в осуществляет специальное устройство, которое дублирует функции ЦП по в/в – это устройство (канал) прямого доступа (аппаратный способ).
   

Схема работы. Когда процессору необходимо произвести операцию чтения/ записи блока данных, он направляет запрос к модулю канала прямого доступа и передает ему информацию, необходимую для организации в/в. После этого происходит прерывание процесса и передача процессору следующего активного процесса. Модуль DMA, минуя процессор, передает данные непосредственно в ОП (или считывает из ОП). После выполнения операции модуль DMA выставляет сигнал прерывания для передачи управления ЦП. Таким образом, ЦП работает только в начале и в конце выполнения операции.

Синхронный и асинхронный ввод/вывод.

Различают синхронное и асинхронное управление в/в.

Синхронный в/в: программируемый в/в (в/в в режиме опроса готовности)

Когда процессор встречает команду в/в, он выполняет эту команду, передавая сигналы устройству в/в. Устройство в/в выполняет операцию и по окончанию устанавливает соответствующие флаги. Никаких сообщений процессору устройство не передает. Процессор должен сам опрашивать все устройства на признаки окончания в/в. Программное обеспечение ОС разрабатывается т.о., что процессор сам осуществляет управление в/в. В набор используемых команд входят команды управления внеш. устройством, проверки состояния, передачи.

Асинхронный в/в: с использование прерываний. После того как процессор выдал команду на обмен данными, происходит прерывание процесса. После выполнения в/в устройство в/в генерирует прерывание, которое сигнализирует об окончании в/в. При выполнении в/в связь с устройством в/в практически отсутствует. Чтобы не потерять связь с устройством, выполняется специальная операция – установка TimeOut’а (максимальный интервал времени, в течение которого устройство должно выдать прерывание об окончании в/в). Если в течение этого времени прерывание не поступило, в/в прошел неудачно.

Драйверы, которые осуществляют в/в асинхронный и синхронный – отличаются. Синхронные драйверы проще. Асинхронные – многоуровневые, состоящие из нескольких секций. Используются и те и другие. Драйверы Windows – синхронные.

Прямой доступ к памяти

Использует канал прямого доступа. После передачи данных канал (DMA) Вырабатывает прерывание. Т.образом ценральный процессор участвует в начале и в конце операции.



Системные таблицы ввода/вывода.

Для организации в/в каждая ОС имеет свои таблицы в/в. Состав может меняться в зависимости от ОС.

1. Таблицы оборудования (внешних устройств). Unit Control Block (UCB) – каждый элемент должен создать информацию о конкретном устройстве (тип, модель, имя, адреса каналов в/в, указание на управляющие драйверы, адреса буферов для в/в, информация о time out ах и др.)
   
2. Таблицы логических имен содержат логические имена устройств (для независимости от оборудования), для реализации принципов виртуализации. Связана с таблицей оборудования.
   
3. Таблица прерываний. Каждому устройству определенный номер прерывания.
   

Вопрос 23. Уровни управления вводом-выводом. Буферизация и синхронизация данных.


Уровни ввода – вывода.

3. Верхний уровень. ОС предоставляет приложению высокоуровневый интерфейс, позволяющий работать с созданными системами для некоторых виртуальных устройств. Этот интерфейс зависит от ОС.
   
4. Нижний уровень. Обеспечивает интерфейс (управление) с аппаратным обеспечением.
   

+ смотри предыдущий билет

Использование буферизации при вв/выв

Предназначена для оптимизации работы с внешними устройствами. Буфер – критический ресурс (по отношению к процессам верх уровня -программному процессору и процессору нижн уровня). Через буфер данные переносятся от некоторого процесса к внешним устройствам, либо от внеш уст-в к процессору. Необходима синхронизация процессов.

Набор операций для работы должен включать:

• Получить буфер
  
• Освободить буфер
  
• Записать в буфер
  
• Считать из буфера
  

Для рассмотрения вопросов буферизации важным считается то что существует уст-ва вв/выв 2 типов:

1. блочноориентированные – сохраняющие информацию блоками фиксированного размера, информация передается блоками, ссылка на данные-ссылка на блок и смещение внутри блока. Пример: магн диски, устр-ва долговременного хранения инф-ии.
   
2. поточнооринтированные – передающие неструктурированный поток байтов. Пример: терминал клавиатуры, мыши, не запоминающие устройства.
   

Схема буферизации

1.Одинарный буфер – простой тип буфера. Процессу требуется операция в/в, ему в некоторой области отводится буфер для записи и считывания данных. Для блочно-ориентированного устройства производится передача входных данных в системный буфер После этого процесс перемещает блок в пользовательское пространство и тут же производит запрос следующего блока. Считывание по сравнению с отсутствием буферизации обеспечивает повышение быстродействия.




Рис.1 Опережающее считывание.


2. Двойной буфер

При использовании двойного буфера процесс может выполнять передачу данных в один буфер, в то время как ОС записывает данные в др буфер- технология двойной (сменной) буферизации



3.Циклическая буферизация

Используется задача взаимного потребления (Задача производитель- потребитель (вопрос 7))


Выводы: буферизация представляет собой метод сглаживания кол-ва операций вв/выв, но любое кол-во буферов не позволяют устройствам вв/выв работать так же производительно как и центр. процессор. Следовательно любое кол-во буферов не позволяет работать на равнее с проц-ром. Даже при большом числе буферов их переполнение вызывает приостановление процесса, работающего с внешним устройством.

В мультипрограммируемой системе в которой идет обмен с внеш. устр-вом. буфер дает явное преимущества и увеличивает производительность системы в целом и отдельных устройств.


Вопрос 24. Логическая структура файла Типы файлов. Атрибуты файлов. Операции с файлами. Каталоговые системы. Операции с каталогами.



Файловые системы.


Необходимость создания ФС:

1. Процесс может хранить в ОП лишь ограниченное число данных.
   
2. После завершения процесса, результаты должны быть сохранены на устройстве долговременного хранения.
   
3. Когда несколько процессов хотят иметь одновременный доступ к одним и тем же данным, возникает необходимость долговременного хранения данных.
   

Требования:

1. Для каждого процесса необходимо свое виртуальное адресное пространство.
   
2. Необходимо долговременное хранение информации.
   
3. Процессам необходим обмен данными между собой.
   
4. Одновременный доступ к данным нескольких процессов.
   

Решение- хранение информации в файлах.

Файл. Основные понятия.

Возможность хранения информации после завершения процесса. Информация во внешней памяти хранится в объектах, которые называются файлами. Файл: поле, запись, файл.

Поле – основной элемент данных. Содержит единственное значение. Характеризуется длиной и типом хранимых данных. Поля могут быть фиксированной или переменной длины.

Запись – набор связанных между собой полей. Записи могут быть переменной или фиксированной длины.

Файл – набор данных, организованный в виде совокупности записей одинаковой структуры (поименованный набор данных).

ФС определяет способ организации данных на диске или ином носителе данных и принцип доступа к данным, организованным в файлы. Система управления файлами (СУФ) – конкретная организация ФС, обеспечивающая работу с файлами конкретной ОС. Каждая ОС может поддерживать несколько ФС, и для каждой ФС должна быть реализована своя СУФ. Система управления файлами обеспечивает:

1. связь по данным системных и прикладных программ (процессов);
   
2. обеспечивает централизованное распределение дискового пространства и управление данными.
   

Основное назначение ФС и соответствующей ей СУФ – это организация удобного доступа к данным, организованным в виде файлов, т.е. вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов обеспечивают логический доступ с указанием имени файла и записи в этом файле.


Именование файлов.

При создании файла процесс присваивает ему имя. По этому имени процесс может обращаться к файлам. Правила именования в различных ОС разные.

Логическая структура файла (4 типа структур):

1. Файл как неструктурированная последовательность байтов. Обеспечивает максимальную гибкость при работе с файлами. Чтение и запись – поток байтов. Задача ОС в этом случае – обеспечивать передачу байтов. Вся интерпретация потока байтов лежит на уровне прикладных процессов. Такие файлы поддерживаются основными ОС: Unix, Windows.
   
2. Файл – последовательность логических записей фиксированной длины. ОС работает с записями. Доступ к записям: надо или прочитать все предыдущие записи, или указать адрес этой записи ( порядковый номер записи). Является достаточно удобным: к этим файлам можно иметь как последовательный доступ, так и прямой – по адресу, который вычисляется по номеру записи.
   
3. Файл как последовательность записей переменной длины. Доступ к записи может быть только путем последовательного чтения предыдущих записей, т.к. адрес указать не можем.
   
4. Файл как дерево записей (записи необязательно одной длины) «Индексированные» файлы. Каждая запись содержит специальное поле, которое называется ключом. Дерево сортируется по данному ключу и доступ осуществляется по ключу. Основная функциональная операция – поиск ключа. При добавлении записи в дерево ОС решает какой ключ назначить и записывает в это дерево.
   

Для быстрого поиска данных предусматривается специальная индексная таблица, в которой значениям ключевых полей ставится в соответствие с внешней памятью. Этот адрес может указывать на искомую запись или на область внешней памяти, занимает несколькими записями (индексно-последовательная запись).



Индексная последовательность файла включает 2 этапа:

–прямой доступ к памяти по ключу.

–последовательный просмотр в этой области памяти.

Индексные таблицы составляет и ведёт ОС.

Каждое поле индексной таблицы содержит индекс и адрес записи.

Индексированные файлы: индексные файлы, в которых в индексной таблице содержится адрес записи, и индексно последовательные файлы, когда в индексной таблице содержится адрес некоторой последовательности записей. В этом случае поиск записи состоит из 2-х шагов: поиск по индексу последовательности записей и поиск в последовательности записей.

Типы файлов.

ОС поддерживает различные типы файлов. Каждая ОС поддерживает двоичные файлы, которые являются выполнимыми (они содержат команды процессора)

В системах Unix, Windows поддерживается 2 типа файлов: регулярные и каталоги. К регулярным относятся все файлы прикладных и системных процессов. Каталоги – файлы, которые поддерживают структуру и целостность системы. Регулярные файлы: текстовые (состоят из ASCII кода и легко отображаются) и двоичные.

Доступ к файлам.

2 типа доступа: последовательный и прямой (произвольный). Для указания места начала считывания с файла используются 2 метода:

• указание непосредственно в операции (read, например)
  
• должна быть специальная программа позиционирования seek.
  

Атрибуты файлов.

В некоторых ОС в момент создания файла может быть указан метод доступа.

1. Имя файла.
   
2. Данные файла.
   
3. Дополнительные сведения. Каждая система может связать с файлом некоторое количество дополнительных сведений:
   
   • атрибуты защиты (кто и как может получить доступ к файлу)
     
   • пароль
     
   • идентификатор пользователя
     
   • текущий владелец
     
   • флаги (системный, скрытый, только для чтения, архивный)
     
   • ASCII или двоичный – тип
     
   • флаг доступа (последовательный или произвольный)
     
   • флаг времени жизни (будет ли он жить после окончания процесса)
     
   • длина (в байтах)
     
   • дата и время создания
     
   • дата и время последнего доступа
     
   • дата и время последнего изменения
     
   • максимальный размер
     

Операции с файлами.

В каждой ОС различные наборы их. Системные вызовы.

• Создание файла – создание имени файла без данных (только имя и атрибуты)
  
• Удаление файла
  
• Открытие файла – происходит считывание в ОП атрибутов и создание системных таблиц открытого файла.
  
• Закрытие файла – сохранение атрибутов и удаление системных таблиц
  
• Операция чтения и записи
  
• Поиск данных (записей)
  
• Чтение/установка атрибутов.
  

Каталоговые системы.

Каталоги – файлы специального типа, хранят информацию о данных. Информация о файле в каталоге может храниться полностью (в тех ОС, где файл только в одном каталоге) либо информация о файле хранится вне каталога, тогда возможен доступ к файлу из нескольких каталогов. ОС имеет систему каталогов в виде дереыва – возможность структурирования:

• имя файла
  
• полное имя
  
• имя от текущего каталога
  

Иерархическая система: при ней важен способ указания имен файла для организации поиска его в каталогах. Операции с каталогами:

• создание каталога
  
• удаление каталога
  
• открытие каталога
  
• закрытие
  
• Читать элемент каталога
  
• операции связывания файлов с каталогом
  
• удаление ссылок из каталога
  

Вопрос 25. Методы физической реализации файлов и каталогов.


Физическая реализация ФС организует хранение файловых каталогов, управление дисковым пространством и обеспечение надежности работы ФС.

Физическая реализация файлов.

Определяет соответствие блоков диска файлам. Различают способы реализации:

1. Непрерывные файлы
   

В этом случае файл представляет собой непрерывный набор соседних блоков диска (занимает сплошной участок памяти). Простейшая организация файлов, которая обладает преимуществам:

• легко реализовать
  
• высокая производительность
  

Недостаток: очень сильная фрагментация. Непрерывные файлы изначально были самыми распространенными.

2. Связные списки. Файл представляется в виде связного списка блоков диска. Первое слово каждого блока хранит ссылку на следующий блок.
   

3. Связный список с таблицей в памяти. В этом случае у файла есть отдельная таблица, которая хранит адреса этих блоков. И элементы этой таблицы связаны в список. Для того, чтобы ускорить доступ, список разбивается на 2 части. Так построена ФС FAT.
   

Нужно место в ОП для размещения списков блоков.

4. Метод индексных узлов. i-node. С каждым файлом связана некоторая структура данных, которая называется индексным узлом. Индексный узел содержит атрибуты файла и адреса блоков хранения данных.
   

Доступ быстрее. Ограниченное число блоков, к которым можно адресоваться (атрибуты хранятся в индексном узле). Это ограничение обходят путем введения косвенной адресации. Если файл большой и прямой адресации недостаточно, для этого предназначен элемент этого узла. Индексный узел имеет ряд элементов прямой адресации к ряду элементов косвенной адресации.

Реализация каталогов.

Запись в каталоге должна содержать информацию для поиска данных. В зависимости от реализации файла это может быть:

• адрес начала файла (для непрерывных файлов);
  
• адрес 1-го элемента списка (для схем со списками)
  
• адрес индексного узла (для 4-го узла)
  

В первых трех случаях должна быть дана информация об атрибутах файла, в 4-м достаточно иметь номер или адрес индексного узла.

Совместно используемые файлы (имеется в виду несколько процессами).

В файловых системах, где информация находится в каталогах, совместное использование файлов затруднено. Когда файл модифицируется каким-либо процессом, то все изменения будут отражены только в данном каталоге. Информация об адресах и атрибутах файлов хранится в областях, которые отделены от каталогов, из которых есть ссылки. Возможны 2 варианта совместного использования.

1. Использование жестких ссылок.
   

И процесс А. и процесс В имеют ссылку на один и тот же файл. Возникает ряд трудностей. В атрибутах файлов есть информация о владельце. Если какой-то файл, на который ссылается узел, создается процессом А, то имя владельца будет А. Организация жесткой (2-ой) ссылки на этот узел владельца не меняет, увеличивается счетчик ссылок. Проблема: процесс А попытается удалить file 1. Тогда процесс В будет иметь несуществующую ссылку, что недопустимо. Решение: удаление файла 1 из каталога и сохранение жесткой ссылки из каталога В. Если в системе установлены квоты, то платить будет А, а пользоваться В.

2. Символическая связь.
   

Создается связь типа Link. Если хотим сослаться из каталога В на файл 1, то создается ссылка А (новая).

Одновременно двумя процессами данные изменяться не могут. Сложность: каждый раз должен вычисляться этот путь. Кроме жестких ссылок ОС должна обеспечивать синхронизацию.

Организация дискового пространства.(нет в лекц и билетах)

2 стратегии:

1. Выделение пространства непрерывными участками для файла. Недостатки: в случае расширения файла мы можем тлько переписать его на новое место (страничная организация ОП – аналог). Все современные ОС используют механизм блочного разделения дискового пространства.
   

Проблема: выбор размера блока:

• производительность системы
  
• рациональное использовании дискового пространства.
  

Требуется при разработке файловых систем находить компромисс между производительностью и рациональным использованием дискового пространства. Чем больше размер, тем выше производительность, но тем менее рационально используется дисковое пространство. В Unix блок – 1 Кб, в Microsoft – 512 байт – 64 Кб.

Учет свободных блоков.

2 метода, как учитывать свободные и занятые блоки.

• Использование связного списка свободных и занятых блоков. Для данного списка резервируется место. В нем содержатся адреса свободных и занятых блоков.
  
• Хранение информации в виде битового массива (бит-карта). В ней отмечаются свободные и занятые блоки. Хранение в виде битовой карты занимает меньше места, но механизм работы сложнее.
  

Дисковые квоты ФС.

Администратор ОС назначает каждому пользователю максимальную долю файлов и блоков, которые данный пользователь может использовать. ОС контролирует этот процесс. 2 лимита:

• жесткий
  
• гибкий
  

Когда пользователь пытается зарегистрироваться, если система обладает гибкими и жесткими лимитами, ОС считывает его файл квот и проверяет, не превысил ли пользователь гибкие лимиты. Если лимит превышен, то пользователь регистрируется и число предупреждений уменьшается на 1. Когда оно будет =0, то пользователь в системе не регистрируется. При жестком лимите пользователь не может его превысить.

Надежность ФС.

Различные способы резервирования, средства обеспечения надежности закладываются в реализацию ФС. Путем копирования: полная копия ФС с последующим восстановлением.

Непротиворечивость ФС.

FAT NTFS Unix


Вопрос 26. Принципы построения интерфейсов ОС. Интерфейс прикладного программирования(АРI). Варианты реализации АРI.



Принципы построения интерфейса ОС.

3 типа:

• интерфейс пользователя (интерфейс командной строки)
  
• графический пользовательский интерфейс
  
• интерфейс прикладного программирования API (1)
  

Варианты реализации (1).

1. Реализация функции API на уровне ОС, ответственность за выполнение несет ОС (API на уровне системных вызовов). Достигается наибольшая эффективность исполнения, но объектные коды и исходные программы не переносятся на другую ОС. WinAPI – пример.
   

«-» отсутствие переносимости на ОСна Уровне объектного и исходного кода.

2. Реализация функции API на уровне системы программирования. Функции API предоставляются пользователю в виде библиотечных функций системного программирования (соответствующего языка программирования) (RTL-библиотеки). Эффективность реализации ниже, но переносимость исходной программы будет наилучшей. Для каждой ОС должна быть своя библиотека RTL.
   
3. Реализация функции API с помощью внешних библиотек (с помощью библиотек, созданных сторонними разработчиками). Эффективность наименьшая, т.к. эти библиотеки обращаются с библиотекой СП, а они обращаются к системным вызовам, но повышается эффективность создания программных продуктов. Переносимость «проблематична», т.к. может быть связано с ОС.Может быть сокращено время создания программ.
   

Вопрос 27. Основные структуры операционных систем. Структуры многопроцессорных операционных систем


Основные структуры ОС.

1. ОС как набор процедур, взаимодействующих друг с другом (отсутствие структуры): MS-DOS – монолитные (трудно выносить изменения, работать).
   
2. Многоуровневая ОС. ОС разделены на слои (уровни), каждый уровень общается с соседним. Простота отладки ОС, взаимодействия. Windows 95.
   
3. Приложения отделены от ОС. Приложения и ОС работают в разлиичных режимах процессора: ОС – в привилегированном режиме, приложения – в пользовательском режиме. Достигается наибольшая устойчивость. Windows NT.
   
4. Модель «Клиент – сервер» (оптимизированная структура)