Лекции по операционным системам

№1

Понятие ОС. Основные функции ОС.

Под ОС обычно понимают комплект управляющих программ, которые вступают как интерфейс между аппаратурой компьютера, и предназначены для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы, организации надежных вычислений. Любой из компонентов программного обеспечения работает под управлением ОС, и ни один из компонентов ПО, за исключением самой ОС не имеет доступа непосредственно к аппаратуре.

Основными функциями ОС являются:

Прием от пользователя заданий или команд.

Прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку и остановку других программ.

Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.

Инициация программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

Идентификация всех программ и данных.

Обеспечение работы системы управления файлами и СУБД. что увеличивает эффективность работы всего ПО.

Обеспечения режима мультипрограммирования, т. е. выполнение 2 или более программ на 1 процессоре, воздающие видимость их одновременного исполнения.

Управление операциями ввода/вывода.

Удовлетворение жестким ограничениям в режиме реального времени.??

Распределение памяти, организация виртуальной памяти.

Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.

Обмен сообщениями и данными между выполняющимися программами.

Защита программ от влияния друг на друга. обеспечение сохранности данных.

Предоставление услуг на случай сбоя системы.

Обеспечение работы систем программирования.

Прерывания. Обработка прерываний.

Прерывания представляют собой механизм позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния возникающие при работе процессора. Прерывания – это принудительная передача управления от выполняющейся программы к системе, а через неё к соответствующей программе обработки прерываний, происходящая при определенном событии. Основная цель введения прерываний – реализация асинхронного  режима работы и распараллеливания работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. 

Структуры систем прерываний могут быть самыми различными, но все они имеют общую особенность – прерывание непременно ведет за собой изменение порядка выполнения команд процессором. Механизм обработки прерываний включает в себя следующие элементы:

Установление факта прерывания (прием и идентификация сигнала на прерывание).

Запоминание состояния прерванного процесса (состояние процесса определяется значением счетчика команд, содержимым регистра процессора, спецификацией режима: пользовательский или привилегированный)

Управление аппаратно передается программе обработки прерывания. В этом случае, в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерывания, а в соответствующие регистры из слова состояния.???

Сохранение информации прерванной программе, которую не удалось спасти с помощью действий аппаратуры.

Обработка прерывания. Работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на 3-ем шаге, но в ОС чаще всего эта обработка реализуется путем вызова соотв. подпрограммы.

восстановление информации относящейся к прерванному процессу.

Возврат в прерванную программу. 

Первые 3 шага реализуются аппаратными средствами, а остальные – программно.

Главные функции механизма прерывания:

Распознавание или классификация прерывания.

Передача управления обработчику прерывания.

Корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерванной программе к обработчику и обратно должен производится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таблицы сод. перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соотв. обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед передачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке.

????

Обслуживание прерываний. Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы, процессор может обладать системой защиты от прерываний: отключение системы прерываний либо запрет или маскирование отдельных сигналов прерываний. Программное управление этими средствами позволяет ОС регулировать обработку сигналов прерывания. Процессор может обрабатывать прерывания сразу по приходу прерывания, откладывать их обработку на некоторое время, полностью игнорировать. Обычно операции прерывания выполняются только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы  управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:

с относительным приоритетом. При этом обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. после окончания обслуживания данного запроса (текущего) обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные прерывания или просто отключить систему прерываний.

с абсолютным приоритетом. Всегда обслуживаются задачи с наивысшим приоритетом. Для реализации этой дисциплины при запросе на обработку прерываний маскируются все прерывания с низшим приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, т. е. прерывание программы обработки прерывания. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса по принципу стека: LCFS – last come first served, т . е. запрос с более высоким приоритетом может прервать запрос с более низким приоритетом. При появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и если прерывания разрешены, то управление передается на соотв. программу обработки прерываний.

??? Служебные секции, в которых осуществляется сохранение контекста прерванной задачи и последняя секция в которой осуществляется восстановление контекста, чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание. Эта система прерываний автоматически отключает прерывания, поэтому необходимо в подпрограмм обработки прерываний вновь включать эту систему обработки прерываний. Итак, на время выполнения центральной секции обработки прерываний прерывания разрешены, на время работы заключительной секции подпрограмма обработки прерываний должна быть отключена, а после восстановления контекста прерванной задачи включена вновь. Сии действия нужно выполнять в каждой обработке прерываний. Во многих ОС 1 секция обработки прерываний выделяется в специальный программный модуль наз. супервизором прерываний.

В чем заключается различие между повторновходимым (реентерным) и повторнопрерываемыми программными модулями. Как они реализуются.



№2

Что такое система управления файлами (СУФ)?

Назначение СУФ.

Организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Вместо низкоуровнего доступа к данным – с указанием физического адреса каждой записи – используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нём.

Ряд ОС позволяет работать с несколькими СУФ, в этом случает говорят о монтируемых файловых системах. Существуют также ОС работающие без СУФ, т.е. любая система управления файлами нужна не сама по себе, она разработана для работы в конкретной СО и конкретной файловой системой.

Внешние, внутренние и программные прерывания.

Прерывания возникающие при работе выч. системы можно разделить на внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от таймера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу, прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание от другого процессора или другой ОС. 

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной 2ичной комбинации; при делении на 0; при переполнении или исчезновения порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое переключения процессора в привилегированный режим с  возможностью исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, при этом возникать они могут одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритета, приписанных к каждому типу прерывания. Учет приоритета прерывания может быть встроен в технические средства, а также определяться ОС.

Распределение прерываний по уровням приоритета:

Средства контроля CPU

Высший приоритете

Системный таймер



Магнитные диски



Сетевое оборудование



Терминалы



Программные прерывания

Низший приоритете

Изобразить диаграмму состояния процесса. Пояснить все возможные переходы из одного состояния в другое.

Состояния процесса. 

За время своего существования процесс может осуществить переход из одного состояния в другое. Это обусловлено обращениями к ОС с запросами ресурсов и выполнением системных функций, которые предоставляют ОС взаимодействие с другими процессами, появлением сигналов прерывания от таймера и устройств ввода/вывода. Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующем случае: 

1 По команде оператора или пользователя, ОС где программа может иметь статус задачи и при этом являться пассивной, а не просто быть исполняемой файлами и только на время исполнения получать статус задачи это характерно для большинства современных ОС.

2 При выборе из очереди  на выполнение процесс может перейти от бездействия к готовности. Это характерно для ОС работающих в постоянном режиме.

3 По вызову из другой задачи. По вызову супервизора один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить и уничтожить любой процесс. От прерывания от внешнего устройства. устройства называют инициатором, если по сигналу на прерывание от него должна запустится акая-то задача. 

Переход в готовность при поступлении запланированного запроса программы. процесс, который может исполняться или только ему будет предоставлен процессор находится в состоянии готовности. Уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора. 

Из  состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:

1 Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление ОС и сообщает ей о своем завершении. В результате их действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов либо уничтожает. В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно по команде оператора. Действие этой команды реализуется системными процессами. которые транслируют запрос супервизору с требованием перевести соотв. процесс в состояние бездействия. 

Из состояния выполнения процесс переводится в состояние готовности к выполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного этому процессу кванта времени. Либо вследствие запроса операции ввода/вывода, который должен быть выполнен прежде чем процесс может продолжить исполнение либо в силу невозможности предоставить ему ресурс запрошенный в настоящий момент. При поступлении соответствующего сигнала о завершении операции ввода/вывода, освобождающем требуемый ресурс, в оперативную память загружается необходимая страница виртуальной памяти. Процесс деблокируется и переводится из состояния готовности к исполнению. Итак, движущей силой, меняющей состояния процессов, является механизм прерываний.





№3

Интерфейсные оболочки. Операционная среда.

Интерфейсные оболочки созданы для более удобного взаимодействия пользователя с ОС. Их основное назначение либо расширить возможности по управлению ОС, либо изменить встроенные в систему возможности. Примеры интерфейсных оболочек: для Unix - xWINDOW, для Linux: - KDE, для OS/2 – Presentation Manager, PM shell Object Desktop, для Windows – Explorer.

Термин операционная среда означает соответствующий интерфейс, необходимый программам для обращения к операционной системе, с целью получения определенного сервиса. (напр. выполнить операцию ввода/вывода. освободить участок памяти, и т. п.) Операционная среда – системное программное окружение в котором могут выполняться программы созданные по правилу работы этой среды. Операционная среда определяется программными интерфейсами, т. е. API – application program interface. Интерфейсом прикладного программирования, который включает в себя управление процессами, памятью, вводом/выводом. Ряд ОС могут организовать выполнение программ, созданных для других ОС, т. е. соответствующая операционная среда организуется в ОС, в рамках отдельной виртуальной машины.

Параллельное существование терминов операционная система и операционная среда, связано с тем, что операционная система поддерживать в общем случае несколько операционных сред. Операционная среда может включать несколько интерфейсов, в частности пользовательский и программный.

Классификация ОС.

Операционные системы разделяются 1)По назначению. Прежде всего ОС разделяют на системы общего и специального назначения. ОС специального назначения в свою очередь разделяют на ОС для переносных микрокомпьютеров (карманные PC) и различных встроенных систем. 

2)По режиму обработки задач. Различают ОС обеспечивающие однопрограммный и мультипрограммный режимы. Под мультипрограммным режимом понимают способ организации вычислений, когда на однопроцессорной машине создается видимость выполнения нескольких программ. Различие между мультипрограммным и мультизадачным режимом в том, что в мультипрограммном режиме обеспечивается параллельное выполнение нескольких приложений и при этом программист прикладные программы не должен заботится об организации их параллельной работы эти функции на себя берет ОС, она распределяет между выполняющимися приложениями ресурсы вычислительной системы. Осуществляет необходимую синхронизацию вычислений и взаимодействие. Мультизадачный режим наоборот предполагает, что забота о параллельном выполнении и взаимодействии приложений ложится на прикладных программистов. Современные ОС для персональных компьютеров реализуют как мультипрограммный, так и мультизадачный режимы. 

При организации работы с вычислительной системой в диалоговом режиме можно говорить об однопользовательских (однотерминальных и мультитерминальных ОС) в мультитерминальных ОС могут работать одновременно несколько пользователей, каждый со своего терминала. Для организации мультитерминального доступа к вычислит. системе необходимо обеспечить мультипрограммный режим работы. Примером мультитерминальной ОС явл. Linux.

3) По способу взаимодействия с системой. Основной особенностью ОС реального времени является обеспечение обработки поступающих заданий в течение заданных интервалов времени, которые нельзя превышать. Мультипрограммирование является основным средством повышения производительности системы. Лучшие характеристики по производительности обеспечиваются для систем реального времени однотерминальными ОС реального времени. Средства организации мультипрограммного режима всегда замедляют работу системы в целом, но расширяют функциональные возможности системы. Одной из таких систем  является QNX. 

4) По способу построения. По своему архитектурному принципу ОС разделяются на микроядерные и монолитные, примером микроядерной является ОС QNX, примером монолитной – Windows 9.XX, 200.

С какой целью в ОС вводится специальный программный модуль, наз. супервизор прерываний?

Во многих ОС 1 секция обработки прерываний выделяется в специальный программный модуль наз. супервизором прерываний. 

Сей модуль сохраняет в дескрипторе  текущей задачи рабочие регистры процессора, которые определяют контекст прерываемого вычислительного процесса. Определяет ту подпрограмму, которая должна выполнять действия связанные с обслуживанием текущего запроса на прерывание. Перед тем. как передать управление этой подпрограмме супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы управление передается вновь супервизору, но уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач. Диспетчер задач в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени между выполняющимися процессами восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор.

Обработка прерываний при участии супервизора ОС. 



отключение прерываний. Производится в соотв. модулях ОС. Сохранение контекста прерванной задачи. Установка режима системы прерываний.

определение адреса программного модуля. который обслуживает запрос на прерывание и передача управления на него. Включение подпрограммы обработки прерываний.

Диспетчер задач: выбор готовой к выполнению задачи на основе принятой дисциплины обслуживания. Восстановление контекста прерванной задачи. Установление прежнего режима работы системы прерываний и передача управления этой задаче.

№4

Системы программирования. Утилиты.

Система программирования включает в себя транслятор соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Не бывает самостоятельных оторванных от ОС систем программирования. Любая система программирования работает только в соответствующей ОС. под которую она создана, но тем не менее она может позволять разрабатывать программы разрабатывать ПО для других ОС. В том случае, когда созданные программы должны работать в других ОС говорят о кросс-системах.

Под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно обслуживать как саму ОС, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование данных, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе (дефрагментация) и производить другие работы связанные с обслуживание вычислительной системы. Также к утилитам относятся программы разбиения носителя на магнитных дисках на разделы, программу для переноса основных системных файлов самой ОС.

Объяснить понятия task, process, thread

Понятие вычислительного процесса и ресурса является основными при рассмотрении ОС. Последовательный процесс (задача) – выполнение отдельной программы. Процессор, являющийся носителем данных выполняет операции связанные с их обработкой. примеры процессов задач (прикладные программы пользователей, утилиты). Процессом может быть редактирование текста, трансляция исходной программы, её компоновка, исполнение.

Перечислите дисциплины обслуживания прерываний, как можно реализовать каждую из этих дисциплин.

№5

Системные библиотеки.

Многопоточность. Использование потоков.

Thread (поток, тред) 0 легковесный процесс.

У каждого процесса имеется свое адресное пространство и выделенные ресурсы. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого. поскольку они совместно используют все ресурсы вычислительной системы, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы никак не связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям. ОС считает процессы несвязанными и независимыми при  этом ОС берет на себя роль арбитра в конкуренции по поводу ресурсов. 

Треды или потоки легковесными эти задачи называют потому, что ОС не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину. Эти задачи не имеют собственных ресурсов. Они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что необходимо треду – процессорный ресурс. В однопроцессорной системе треды разделяют между собой процессорное время также, как это делают обычные процессы. В мультипроцессорной системе треды могут выполняться одновременно если не  встречают конкуренции из-за обращения к другим ресурсам.

Многопоточность. Главное, что обеспечивает многопоточность – возможность параллельного выполнения нескольких видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления часто реализуются на уровне тредов. программа оформленная в виде нескольких тредов, в рамках одного процесса может быть выполнена быстрее за счет параллельно выполненных отдельных ее частей. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений. Например многопоточный сервер может выполнять запросы сразу нескольких клиентов. 

Понятие поток было введено для того, чтобы именно с помощью этих понятий распределять процессорное время между возможными работами. Понятие процесс предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за процессом. При манипулировании тредами можно менять только контекст задачи, если мы переключаемся с задачи на задачу в рамках одного процесса, то все остальные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс состоит по крайней мере из одного треда и только для многопроцессорных систем программист может расщепить поток на несколько параллельных. Потребность в потоках возникла еще на однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяют организовать вычислительный процесс более эффективно, а для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью треды просто необходимы, т. к.  позволяют не только ускорить  выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и  загрузить процессоры работой, чтобы они не простаивали. Каждый тред выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Треды как и процессы могут порождать треды-потомки, поскольку любой процесс состоит хотя бы из одного треда. Подобно традиционным процессам, каждый тред может находится в одном из активных состояний. Пока один тред заблокирован или находится в очереди готовых к исполнению задач другой тред того же процесса может выполняться. Треды разделяют процессорное время в соответствии с различными вариантами диспетчеризации. Все треды имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса, т. е. они разделяют одни пи те же глобальные переменные. Так как любой тред может иметь доступ к каждому виртуальному адресу один тред может использовать стек другого треда. Между потоками нет полной защиты, т. к. это невозможно, и вапще она не нужна для тредов. все потоки одного процесса решают задачу одного пользователя и механизм потоков используются здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия частей одной программы. Кроме разделения адресного пространства все треды разделяют набор открытых файлов или общие устройства выделенные в процессы имеют одни и те же наборы сигналов, называемые семафоры и т. п.

Собственными у тредов являются программные счетчики, свой стек, рабочие регистры процессора, потоки-потомки и состояния. В следствие того, что треды относятся у определенному процессу выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве между ними можно организовать тесное взаимодействие, в отличие от процессов для которых нужны специальные механизмы обмена сообщениями и данными. Программист, создающий многопоточное приложение должен заранее продумать работу многих тредов процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не участвовали в конкуренции за предоставление ресурсов тогда, когда этого можно избежать.

Для того чтобы можно было эффективно организовать параллельное выполнение потоков и процессов в архитектуре современных компьютеров включена возможность работать со специальной информационной структурой, которая описывает процессы или потоки. Для этого уже на уровне архитектуры микропроцессора исполняются некоторые задачи. И это понятие объединяет в себе обычные и легковесные процессы и поддерживает для него на уровне аппаратуры информационные структуры, позволяющие в дальнейшем при разработке ОС построить соответствующие дескрипторы как для процесса, так и для треда. Отличаться эти дескрипторы будут тем, что дескриптор потока или треда может хранить только контекст приостановленного вычислительного процесса, тогда как дескриптор процесса должен содержать поля, которые описывают ресурсы выделенные этому процессу.

Использование потоков. В случае использования однопроцессорной системы множество параллельных потоков часто не ускоряют работу приложения, поскольку в каждой отдельно взятой промежуток времени возможно выполнение только одного потока. Кроме того, чем больше потоков, тем больше нагрузка на систему, поскольку затрачиваются ресурсы. Если процесс имеет более 2 потоков, то такая мультизадачность не сделает работу быстрее, если каждый из потоков не будет требовать частого ввода/выводы.

2 Необходимо помнить для чего нужен поток. Поток, осуществляя обработку. может помешать системе быстро реагировать на запросы ввода/вывода. Потоки позволяют программе откликаться на просьбы пользователя и устройств, но при этом сильно загружают процессор. Потоки позволяют компьютеру одновременно обслуживать множество устройств.

3 Потокам можно назначить определенный приоритет, для того чтобы наименее значимые процессы выполнялись в фоновом режиме (путь частичного разделения ресурсов CPU). Однако всегда нужно помнить, что процессор 1 – а потоков много.

4 Потоки хорошо работают, когда они независимы. Но они начинают работать не продуктивно, если вынуждены часто синхронизироваться для доступа к общим ресурсам.

5 Необходимо четко представлять, что память виртуальна, механизм виртуальной памяти следит за тем, какая часть виртуального адресного пространства должна находится в ОЗУ, а какая должна быть сброшена в файл подкачки. Потоки усложняют ситуацию, если они обращаются в одно и то же время к различным виртуальным адресам виртуального адресного пространства приложения.

6 Не следует возлагать на потоки несколько функций. Сложные функциональные отношения затрудняют понимание общей структуры приложения всего алгоритма. Чем проще и менее многозначно каждая из рассматриваемых ситуаций, тем больше вероятность, что ошибок удастся избежать.

Для чего каждая задача получает свой дескриптор. Какие поля, как правило, содержатся в дескрипторе процесса (задачи). Что такое контекст задачи.

№6

Дескриптор ОС реального времени

В ОС реального времени количество процессов фиксируется, поэтому полезно определить количество дескрипторов процессов. Каждый дескриптор процессов постоянно располагается в оперативной памяти, с целью ускорить работу диспетчера задач, для более эффективной обработки данных. В системах реального времени целесообразно иметь постоянные дескрипторы задач, полностью или всегда существующие в системе, независимо от того, поступают на них требования или нет. каждая конкретная задача обладает некоторой собственной областью оперативной памяти, независимо от того исполняется задача или нет. Это так наз. ОЗУ резидентные задачи. Эта область может использоваться для хранения данных полученных задачей ранее. Данные могут хранится в ней тогда, когда задача находится в состоянии ожидания или бездействия.

Аппаратная поддержка дескрипторов задач. Для аппаратной поддержки работы ОС с дескрипторами задач в процессорах реального времени реализованы соответствующие механизмы. Начиная с Intel 80286 в котором реализован регистр наз: TR task Register, указывающий местонахождение сегмента состояния задачи, в котором при переключении с задачи на задачу автоматически сохраняется содержание регистров процессора. В современных ОС регистр задачи включает в себя сегмент состояния задачи TSS task state segment Дескриптор задачи больше по размерам чем TSS и включает в себя такие общие поля, как идентификатор задачи, имя, приоритет, тип, и т. д.

№7

Активный и пассивный процессы.

Состояния процесса. Необходимо отличать чисто управляющие процессы, представляющие работу супервизора операционной системы и занимающейся распределением и упорядочиванием ресурсов называемый Системным обработчиком процессов, входит в ядро ОС и процессов пользователей. Для системных управляющих процессов ресурсы определены изначально и начально. Эти процессы управления ресурсами системы за использование которыми существует конкуренция между всеми остальными процессами. Поэтому исполнение системы управления программами не принято называть процессами.

Термин задача (процесс) можно употреблять только к процессам пользователей и к системным обрабатывающим процессам. Однако это справедливо не для всех ОС. В Unix системах выполнение исполняющих программных модулей тоже имеет статус системных процессов.

Процесс может находится в активном и пассивно состоянии. В активном состоянии процесс может участвовать в конкуренции за использование ресурсов вычислительной системы. В пассивном состоянии он только известен системе, но в конкуренции не участвует. 

В свою очередь активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

1 Состояние выполнения: все затребованные процессом ресурсы выделены. В этом состоянии может находится только один процесс.

2 готовности к выполнению: ресурсы могут быть предоставлены этому процессу, тогда он перейдет в состояние выполнения.

3 Блокированное или ожидание: затребованные ресурсы не могут быть предоставлены или не завершена операция ввода/вывода.

В большинстве ОС последнее состояние подразделяется на множественное состояние ожидания. соответствующее определенному виду ресурса из-за отсутствия которого процесс переходит в состояние ожидания. В обычных ОС процесс появляется при запуске какой либо программы. Ос организует (порождает или выделяет) для нового процесса соответствующий дескриптор процесса и процесс начинает развиваться (задача начинает выполняться). Поэтому в обычных ОС пассивного состояния не существует. В ОС реального времени ситуация несколько иная Обычно при проектировании ОС реального времени заранее известен состав программ или задач, которые будут выполняться. Известны при этом многие их параметры, которые необходимо учитывать при  распределении ресурсов (объем требуемой памяти, время выполнения, приоритет выполнения, используемые устройства). Поэтому для ОС реального времени заранее заводят дескрипторы задач с тем, чтобы впоследствии не тратить время на организацию дескриптора и поиск для него необходимых ресурсов. Поэтому в таких ОС некоторые процессы могут находится в состоянии бездействия.

Привилегированные и непривилегированные программные модули.

Объяснить понятие ресурса. Назвать виды и типы ресурсов.

Понятие ресурса явл. одним из основных при рассмотрении ОС. Термин ресурс обычно применяется по отношению к повторно использующимся, относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов могут использовать их одновременно (в один и тот же момент времени) или  параллельно (в течение некоторого времени процессы используют ресурс попеременно) и неразделяемыми.

Классификация ресурсов



При разработке первых систем ресурсами считали процессорное время, память, каналы ввода/вывода и периферийные устройства. Сейчас программные и информационные ресурсы могут быть как объекты которые могут разделяться и распределяться. Отседова следует вывод. что доступ к этим объектам нужно контролировать. Сейчас понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с рядом атрибутов или свойств характеризующих способы доступа к этой структуре и её физическое представление в системе.

Основные виды ресурсов.

Процессорное время

Память. Оперативная память может быть  разделена одновременным способом, в этом сл-е в памяти может располагаться одновременно несколько процессов, либо целиком, либо текущие фрагменты; и попеременно – в разные моменты времени она может предоставляться для различных вычислительных процессов. В каждый конкретный момент времени процессор при выполнении вычислений обращается опять к ограниченному числу ячеек оперативной памяти. С этой точки зрения полезно разделять память для возможно большего числа идущих параллельно процессов. С другой стороны, как правило, чем больше оперативной памяти может быть свободно для конкретного текущего процесса, тем лучше условия его выполнения. Поэтому проблема эффективного разделения оперативной памяти между параллельно выполняемыми процессами является одной из самых актуальных. Сие явление называют также балансировкой загрузки.

Когда говорят о внешней памяти (магнитные диски, винт), то собственно сама память и доступ к ней разными видами ресурсов. каждый из этих ресурсов может предоставляться независимо от другого. Но для работы с внешней памятью необходимо иметь оба этих ресурса. Внешняя память может разделяться одновременно, а доступ к ней разделяется попеременно (параллельно). Если говорить о внешних устройствах, то оне как правило могут разделяться параллельно, если используются механизмы прямого доступа. если устройство работает  с последовательным доступом оно не может считаться разделяемым ресурсом (принтер, стример).

Программные модули. Системные программные ресурсы. Могут быть разделены между выполняющимися процессами. Программные модули могут быть однократно исполняемыми (исполняются правильно только один раз, и являются неделимыми ресурсами, более того их вообще можно не рассматривать как ресурс системы. Такие модули используются, как правило, при загрузке системы.) и многократно исполняемыми. Многократно исполняемые программные модули могут быть непривилегированные, привилегированные и реентерабельные.

Привилегированный программный модуль работает в так называемом привилегированном режиме, при отключенной системе прерываний, и ничто не может нарушить естественный порядок вычислений. В результате программный модуль выполняется до конца. после чего он может быть вызван из другой задачи на исполнение. Такой модуль  можно рассматривать как попеременно разделяемый ресурс.

Структура модуля:

Отключение

прерываний

Тело программного

модуля

Включение

прерываний

Непривилегированные модули – обычные программные модули. которые могут быть прерваны во время своей работы. Следовательно их нельзя в общем случае считать разделяемыми, потому что  если после прерывания вычисления такого модуля запустить его исчо раз по требованию вычислительно процесса, то промежуточные расчеты для прерванных вычислений могут быть потеряны.

Реентерабельные программные модули (reenter able) допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный их запуск при  обращении из других задач. Для чего такие программные модули должны быть созданы таким образом, чтобы было обеспечено сохранение промежуточных вычислений для прерываемых вычислений и возврат к ним, когда вычислительный процесс возвращается к прерванной ранее точке. 

Это может быть реализовано двумя способами с помощью статических методов определения памяти и динамических методов. Основной, часто используемый метод – метод динамической памяти. (рисунок нарисуй) 1) Привилегированный модуль, который заказывает в системной области памяти блок ячеек для хранения текущих промежуточных данных. 2) Основное тело реентерабельного программного модуля, которое может быть прервано работает в непривилегированном режиме. 3) Привилегированный модуль освобождающий в системной области памяти блок памяти, используемой для хранения промежуточных данных.  Системная область памяти используется динамическим образом для буферизованного ввода/вывода и реентерабельной обработки.

Основная идея построения и работы реентерабельного программного модуля заключается в том, что в головной своей части, с помощью обращения из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения всех текущих и промежуточных данных. При этом на вершину стека помещается указатель адрес области данных и её объем. Все текущие переменные реентерабельного модуля располагаются в системной программной области памяти. В конце привилегированной программной секции система прерываний включается во время работы центральной основной части возможно прерывание этой секции. Если новое прерывание не возникает, то в последней, заключительной секции осуществляется запрос на освобождение используемого блока системной памяти. Если же во время работы центральной секции возникнет прерывание и другой вычислительный процесс обращается к тому же самому программному модулю, то для нового процесса вновь запрашивается блок памяти в системной области памяти и в вершину стека записывается новый указатель. Возможно многократное повторное вхождение в реентерабельный программный модуль до тех пор, пока в системной области памяти выделенной специально для реентерабельной обработки есть свободные ячейки.  

При статическом выделении памяти заранее фиксируется число вычислительных процессов, для которых резервируется область памяти в которой будут располагаться переменные реентерабельных программных модулей. Чаще всего в качестве таких процессов выделяют процессы ввода/вывода. в этом случае говорят о реентерабельных драйверах (реентерабельный драйвер может управлять параллельно несколькими однотипными устройствами).

Повторновходимые (re-entrance) программные модули.  Под этим термином программные модули, которые тоже допускают свое многократное использование, но в отличие от реентерабельных их нельзя прерывать. Повторновходимые модули состоят из привилегированных секций. Повторное обращение к ним возможно только после завершения какой-нибудь из таких секций. После выполнения очередной привилегированной секции управление может быть передано супервизору и если он предоставит возможность выполняться другому процессу, то возможно повторное вхождение в рассматриваемый модуль. В повторновходимых программных модулях четко предопределены все допустимые точки входа. В реальной жизни повторновходимые модули встречаются чаще, чем реентерабельные.

Информационные ресурсы могут существовать как в виде переменных, находящихся в оперативно памяти, так и в виде файлов. Если процессы могут использовать информационные ресурсы только для чтения, то такие информационные ресурсы можно разделять. Если же процессы могут изменять информационные ресурсы, то необходимо каким-то образом организовывать работу с такими данными.

№8

Интерфейсные оболочки.

Понятие многопоточности.

Сколько и каких типов дескрипторов задач может быть в системе? От чего должно зависеть это число?

№9

Вычислительный ресурс.

Обслуживание прерываний.

Что такое привилегированный программный модуль. Почему нельзя создать мультипрограммную ОС, в которой бы не было привилегированных программных модулей?

№10

Системы программирования. Кросс-системы.

Понятие ресурса. Виды унд типы оных.

Процесс. Задача.

№11

Дескриптор процесса.

Для того чтобы ОС могла управлять процессами она должна располагать всей необходимой для этого информацией. С этой целью на каждый процесс заводится опр. информационная структура, наз. дескриптором процесса или описатель задач или блок управления задачами. В общем случае структура дескриптора процесса: 1) Индентификатор процесса PI process identification; 2) тип или класс процесса, который определяет для супервизора некоторые правила предоставления ресурсов; 3) приоритет процесса, в соответствии с которым супервизор предоставляет ресурсы; 4) опред. в каком состоянии находится процесс.???; 5) защищенная область памяти или адрес такой зоны, в которой хранятся текущие значения регистров процессора. Если процесс прерывается, не закончив работы, эта информация называется контекстом задачи; 6) информацию о ресурсах, которыми процесс владеет или имеет право пользоваться (указатели на открытые файлы, информация о незавершенных процессах ввода/вывода); 7) место или его адрес для организации общения с другими процессами; 8) параметры времени запуска.

Описатели задач как правило располагаются в оперативной памяти с целью ускорить работу супервизора, который организует задачи в очереди как в списке и отображает изменения состояния процесса перемещением соответствующего описателя из одного списка в другой. Для каждого состояния ОС ведет соотв. список задач, которые находятся в этом состоянии. Единственным исключением является состояние выполнения для однопроцессорной системы. Для описания состояния ожидания может быть не один список, а столько, сколько разных видов ресурсов может выделить состояние ожидания. Например состояние ожидания завершения операции ввода/вывода может быть столько сколько устройств ввода/вывода имеется в системе. В некоторых ОС количество описателей определено жестко и заранее 

Внешние и внутренние прерывания.

Перечислите процедуру обслуживания прерываний. Объясните, как можно ея организовать.

№12

Мультипрограммный и однопрограммный режимы работы вычислительной системы.

Дж. фон Нейман разработал архитектуру принцип архитектуры современных компьютерных систем.  Все устройства компьютера работают под управлением центрального процессора. Поэтому осуществлял и выполнял и операции ввода/вывода. С введением в состав специальных контроллеров позволило организовать… 

Было предложено организовать мультипрограммный, мультизадачный режим работы вычислительной системы. Он заключается в том, что пока один вычислительный процесс или задача ожидает завершения очередной операции ввода/вывода другая задача может быть поставлена на решение. 

При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не сможет быть выполнен быстрее, чем бы он был выполнен при однопрограммном режиме.

ОС поддерживает мультипрограммирование и старается эффективно использовать ресурсы, путем организации к ним очередей запроса, которые составляются тем или иным способом. Это требование достигается содержанием в памяти более одного процесса ожидающего процессор и более одного процесса готового использовать другие ресурсы. Общая схема выделения ресурсов такова: при необходимости использовать какой либо ресурс, ОЗУ, устройство ввода/вывода процесс обращается к супервизору ОС. Супервизор ОС – центральный управляющий модуль ОС, который может состоять из нескольких модулей например супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. п. 

Задача посредством специальных вызовов команд или директив сообщает о своем требовании супервизору ОС, при  этом указывается вид ресурса и если надо его объем. Директива обращения к ОС передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы (если такой существует). 

Не все ОС имеют 2 режима работы. Режимы работы бывают привилегированными (режим супервизора), пользовательскими, режим эмуляции. 

Ресурс может быть выдан задаче по ее запросу если:

1 Ресурс свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому ресурсу.

2 Текущий запрос и ранее полуученый запросы допускают совместное использование ресурса.

3 Ресурс используется задачей более низкого приоритета и может быть временно отобран.

Получив запрос, ОС либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей сей запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу. Переводя задачу в состояние ожидания (блокируя). очередь к ресурсу может быть организованна несколькими способами. Но чаще всего с помощью специальной структуры. После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора сообщает ОС об отказе от ресурса. Или ОС забирает ресурс сама, если управление возвращается к супервизору после выполнения какой либо системной функции. Супервизор ОС, получив управление, по этому обращению освобождает ресурс и проверяет имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть, то в зависимости от принятой дисциплины обслуживания и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу ждущую ресурс и переводит её в состояние готовности к выполнению, после этого управление либо передается этой задаче, либо возвращается к той, которая только что освободила ресурс. При выдаче запроса на ресурс задача может указать хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно работать и нескольким задачам. Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то упорядочить их использование можно на основе определенной стратегии. Эта стратегия подразумевает четкую формулировку целей следуя которой можно добиться эффективного распределения ресурсов.

Программные прерывания. Распределение прерываний по уровням приоритета.

Что такое привилегированный программный модуль. Почему нельзя создать мультипрограммную ОС, в которой бы не было привилегированных программных модулей?

№13

Основные ф-ции ОС.

№14

Операционные среды. Эмуляторы. Виртуальные машины.

Утилиты. Системные программные модули.

Для чего каждая задача имеет свой дескриптор.

№15

Ресурсы вычислительной системы. Схема выделения ресурсов.

Обработка прерываний при участии супервизоров ОС.

у

№16

Мультипрограммные ОС и ОС реального времени.

Работа реентерабельного программного модуля.