Распределение памяти перемещаемыми разделами.

Понятие операционной системы. Основные функции ОС.

Операционная система (ОС) -программа или совокупность программ, управляющая основными действиями ЭВМ, ее периферийными устройствами и обеспечивающая запуск всех остальных программ, а также взаимодействие с оператором.

Функции ОС:

· Управление памятью;

· Управление доступом к устройствам ввода-вывода;

· Управление файловой системой;

· Управление взаимодействием процессов, диспетчеризация процессов;

· Управление использованием ресурсов;

· Загрузка программ в оперативную память и их выполнение;

· Интерфейс с пользователем;

· Межмашинное взаимодействие (сеть);

· Защита самой системы и пользовательских данных и программ;

· Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы.

Основные функции:

· Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

· Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

· Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

· Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

· Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

· Обеспечение пользовательского интерфейса.

· Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции:

· Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

· Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

· Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

· Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

· Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

· Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

· Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

2. Классификация ОС по типу многозадачности.

Классификация операционных систем . Поддержка многозадачности

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

· однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

· многозадачные (OC EC,OS/2,UNIX, Windows 95/XP/7).

Однозадачные операционные системы в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные операционные системы, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

3. Классификация ОС по кол-ву пользователей

Классификация операционных систем. Поддержка многопользовательского режима.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);
многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

4. Классификация ОС по типу поддерживаемой многопроцессорности

Многопроцессорная обработка

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки — мультипроцессирование. Мультипроцессирование неизбежно приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных.

Такие функции имеются в ОС:

Solaris 2.x фирмы Sun,
Open Server 3.x компании Santa Crus Operations,
FreeBSD (эти три операционные системы являются различными реализациями ОС Unix),
OS/2 фирмы IBM,
Windows NT фирмы Microsoft

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

асимметричные ОС;
симметричные ОС.

Асимметричная операционная система целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам.

Симметричная операционная системаполностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики операционных систем, связанные с управлением только одним типом ресурсов — процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами — подсистем управления памятью, файлами,устройствами ввода-вывода.

Специфика операционных систем проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации обо всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

5. Классификация ОС по областям применения

Системы пакетной обработки, которые просто автоматизируют запуск одной программы из пакета за другой и тем самым увеличивают коэффициент загрузки процессора . При реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем, они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.

Система разделения времени – это мультипрограммная система, где переключение процессора с одной задачи на другую происходит через небольшое время. Эти переключения настолько часты, что пользователь толком не замечает переключения и может взаимодействовать с программами во время их выполнения.

В результате появляется возможность одновременной работы нескольких пользователей на одной компьютерной системе. У каждого пользователя для этого должна быть хотя бы одна программа в памяти. Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти. Основная часть программы находится на диске, и фрагмент, который необходимо в данный момент выполнять, может быть загружен в оперативную память, а ненужный – выкачан обратно на диск. Это реализуется с помощью механизма виртуальной памяти. Основным достоинством такого механизма является создание иллюзии неограниченной оперативной памяти ЭВМ.

В системах разделения времени пользователь получил возможность эффективно производить отладку программы в интерактивном режиме и записывать информацию на диск, не используя перфокарты, а непосредственно с клавиатуры. Появление on-line-файлов привело к необходимости разработки развитых файловых систем.

В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени.

Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем они могут поступать, причем от нескольких источников одновременно.

Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ.

6. Основные функции ОС, связанные с управлением процессами

Процесс (задача) – программа в стадии выполнения. Программа– это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс– это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы.

Итак, операционная система выполняет следующие основные функции, связанные с управлением задачами:

· создание и удаление задач;

· планирование процессов и диспетчеризация задач;

· синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.

Создание задачи сопряжено с формированием соответствующей информационной структуры (дескриптора), а ее удаление — с расформированием. Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между задачами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «отцом», «родителем», а порожденная — «потомком». Отец может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, тогда как потомок не может управлять отцом.

Процессор является одним из самых необходимых ресурсов для выполнения вычислений. Поэтому способы распределения времени центрального процессора между выполняющимися задачами сильно влияют и на скорость выполнения отдельных вычислений, и на общую эффективность вычислительной системы. Основным подходом в организации того или иного метода управления процессами, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение каких-либо иных целей, является организация очередей процессов и ресурсов. При распределении процессорного времени между задачами также используется механизм очередей.

Решение вопросов, связанных с тем, какой задаче следует предоставить процессорное время в данный момент, возлагается на специальный модуль операционный системы, чаще всего называемый диспетчером задач. Вопросы же подбора вычислительных процессов, которые не только можно, но и целесообразно решать параллельно, возлагаются на планировщик процессов.

Самую простую модель процесса можно построить исходя из того, что в любой момент времени процесс либо выполняется, либо не выполняется, т.е. имеет только два состояния. Если бы все процессы были бы всегда готовы к выполнению, то очередь по этой схеме могла бы работать вполне эффективно. Такая очередь работает по принципу обработки в порядке поступления, а процессор обслуживает имеющиеся в наличии процессы круговым методом (Round-robin). Каждому процессу отводится определенный промежуток времени, по истечении которого он возвращается в очередь.

7. Состояния процессов. Алгоритмы планирования процессов.

В многозадачной системе выделяют три основных состояний процесса:

1) выполнение– активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

2) ожидание– пассивное состояние процесса, процесс заблокирован и ждет осуществления некоторого события (например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса);

3) готовность– пассивное состояние процесса, при котором процесс блокируется в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: т.е. процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе.

8. Проблема синхронизации процессов и методы её решения

Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» программы. Критическая секция- это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением.

Можно показать, что для решения проблемы критической секции необходимо и достаточно выполнение следующих трех условий:

·Взаимное исключение. Если некоторый процесс исполняет свою критическую секцию, то никакой другой процесс не должен в этот момент исполнять свою.

·Прогресс. Если в данный момент нет процессов, исполняющих критическую секцию, но есть несколько процессов, желающих начать исполнение критической секции, то выбор системой процесса, которому будет разрешен запуск критической секции, не может продолжаться бесконечно.

·Ограниченное ожидание. В системе должно существовать ограничение на число раз, которое процессам разрешено входить в свои критические секции, начиная от момента, когда некоторый процесс сделал запрос о входе в критическую секцию, и до момента, когда этот запрос удовлетворен.

Решение классических задач синхронизации с помощью семафоров.

Достоинство синхронизации на основе семафорных операций - отсутствие активного ожидания представления ресурса. Семафор, по существу, является структурой из двух полей – целого значения и указателя на список ждущих процессов.

Имеются три классических задачи синхронизации процессов, решения которых с помощью семафоров мы рассмотрим:

·ограниченный буфер (bounded buffer problem)

·читатели – писатели (readers – writers problem)

·обедающие философы (dining philosophers problem).

Ограниченный буфер: имеются процесс-производитель и процесс-потребитель, взаимодействующие с помощью циклического буфера ограниченной длины; производитель генерирует элементы информации и записывает в буфер; потребитель использует информационные элементы из буфера и удаляет их.

Суть задачи читатели-писатели в следующем: имеется общий ресурс и две группы процессов: читатели (которые могут только читать ресурс, но не изменяют его) и писатели (которые изменяют ресурс). В каждый момент работать с ресурсом может сразу несколько читателей (когда ресурс не изменяется писателями), но не более одного писателя. Необходимо синхронизировать их действия над ресурсом и обеспечить взаимное исключение соответствующих критических секций.

Суть задачи обедающие философы в следующем. Имеется круглый стол, за которым сидят пять философов (впрочем, их число принципиального значения не имеет – для другого числа философов решение будет аналогичным). Перед каждым из них лежит тарелка с едой, слева и справа от каждого – две китайские палочки. Философ может находиться в трех состояниях: проголодаться, думать и обедать. На голодный желудок философ думать не может. Но начать обедать он может, только если обе палочки слева и справа от него свободны. Требуется синхронизировать действия философов. В данном случае общим ресурсом являются палочки.

9. Понятие тупика. Условия возникновения тупиков. Основные методы борьбы с тупиками.

Предположим, что несколько процессов конкурируют за обладание конечным числом ресурсов. Если запрашиваемый процессом ресурс недоступен, ОС переводит данный процесс в состояние ожидания. В случае когда требуемый ресурс удерживается другим ожидающим процессом, первый процесс не сможет сменить свое состояние. Такая ситуация называется тупиком (deadlock) . Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ожидает события, которое никогда не произойдет. Системная тупиковая ситуация, или "зависание системы", является следствием того, что один или более процессов находятся в состоянии тупика. Иногда подобные ситуации называют взаимоблокировками . В общем случае проблема тупиков эффективного решения не имеет.

Условия возникновения тупиков были сформулированы Коффманом, Элфиком и Шошани в 1970 г.

Условие взаимоисключения (Mutual exclusion). Одновременно использовать ресурс может только один процесс.
Условие ожидания ресурсов (Hold and wait). Процессы удерживают ресурсы, уже выделенные им, и могут запрашивать другие ресурсы.
Условие неперераспределяемости (No preemtion). Ресурс, выделенный ранее, не может быть принудительно забран у процесса. Освобождены они могут быть только процессом, который их удерживает.
Условие кругового ожидания (Circular wait). Существует кольцевая цепь процессов, в которой каждый процесс ждет доступа к ресурсу, удерживаемому другим процессом цепи.

Для образования тупика необходимым и достаточным является выполнение всех четырех условий.

Обычно тупик моделируется циклом в графе, состоящем из узлов двух видов: прямоугольников – процессов и эллипсов – ресурсов, наподобие того, что изображен на рис. 7.1. Стрелки, направленные от ресурса к процессу, показывают, что ресурс выделен данному процессу. Стрелки, направленные от процесса к ресурсу, означают, что процесс запрашивает данный ресурс.

10. Распределение памяти разделами переменной величины, достоинства и недостатки

Изначально вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью:

1.Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

2.При создании нового процесса – анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

3.Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.

4.После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Достоинство:по сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью.

Недостаток– фрагментация памяти, т.е. наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов), настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

11. Распределение памяти перемещаемыми разделами, достоинства и недостатки.

Распределение памяти перемещаемыми разделами.

Особенность – используется процедура дефрагментации, т.е. перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область.

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью:

3.Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей.

4.После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

В дополнение к перечисленным функциям, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Достоинство: эффективное использование памяти.

Недостаток: снижение производительности системы в целом, поскольку процедура сжатия может требовать значительного времени.

12. Страничное распределение памяти. Достоинства и недостатки

Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами(virtual pages). В общем случае размер виртуального адресного пространства процесса не кратен размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.

Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами(или блоками, или кадрами).

Размер страницы выбирается равным степени двойки: 512, 1024, 4096 байт и т.д. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При создании процесса ОС загружает в оперативную память несколько его виртуальных страниц (начальные страницы кодового сегмента и сегмента данных). Копия всего виртуального адресного пространства процесса находится на диске. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах.

Для каждого процесса операционная система создает таблицу страниц– информационную структуру, содержащую записи обо всех виртуальных страницах процесса. Запись таблицы, называемая дескриптором страницы, включает следующую информацию:

номер физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница;

признак присутствия, устанавливаемый в единицу, если виртуальная страница находится в оперативной памяти;

признак модификации страницы, который устанавливается в единицу всякий раз, когда производится запись по адресу, относящемуся к данной странице;

признак обращения к странице, называемый также битом доступа, который устанавливается в единицу при каждом обращении по адресу, относящемуся данной странице.

При каждом обращении к памяти выполняется поиск номера виртуальной страницы, содержащей требуемый адрес, затем по этому номеру определяется нужный элемент таблицы страниц, и из него извлекается описывающая страницу информация. Далее анализируется признак присутствия, и, если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический, то есть виртуальный адрес заменяется указанным в записи таблицы физическим адресом. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди процессов, находящихся в состоянии готовности. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу (для этого операционная система должна помнить положение вытесненной страницы в страничном файле диска) и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то на основании принятой в данной системе стратегии замещения страниц решается вопрос о том, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

После того как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, обнуляется ее бит присутствия и анализируется ее признак модификации. Если выталкиваемая страница за время последнего пребывания в оперативной памяти была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то принимается во внимание, что на диске уже имеется предыдущая копия этой виртуальной страницы, и никакой записи на диск не производится. Физическая страница объявляется свободной.

Достоинство:возможность работы с виртуальной памятью большого объема, позволяет успешно бороться с фрагментацией физической памяти.

Недостаток:относительнаясложность реализации.

13. Странично-сегментное распределение памяти.

Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного механизмов управления памятью и направлен на реализацию достоинств обоих подходов.

Так же как и при сегментной организации памяти, виртуальное адресное пространство процесса разделено на сегменты. Это позволяет определять разные права доступа к разным частям кодов и данных программы.

Перемещение данных между памятью и диском осуществляется не сегментами, а страницами. Для этого каждый виртуальный сегмент и физическая память делятся на страницы равного размера, что позволяет более эффективно использовать память, сократив до минимума фрагментацию.

Для каждого процесса операционная система создает отдельную таблицу сегментов процесса, в которой содержатся описатели (дескрипторы) всех сегментов процесса, в которых для каждого сегмента указывается:

базовый адрес сегмента в оперативной памяти (начальный линейный виртуальный адрес сегмента в пространстве виртуальных адресов);

размер сегмента;

правила доступа к сегменту;

признаки модификации, присутствия и обращения к данному сегменту, а также некоторая другая информация.

Деление общего линейного виртуального адресного пространства процесса и физической памяти на страницы осуществляется следующим образом. Размер страниц выбирается равным степени двойки, что упрощает механизм преобразования виртуальных адресов в физические. Виртуальные страницы нумеруются в пределах виртуального адресного пространства каждого процесса, а физические страницы – в пределах оперативной памяти. При создании процесса в память загружается только часть страниц, остальные загружаются по мере необходимости. Время от времени система выгружает уже ненужные страницы, освобождая память для новых страниц. ОС ведет для каждого процесса таблицу страниц, в которой указывается соответствие виртуальных страниц физическим.

Достоинство:эффективное распределение памяти и возможность контроля прав и способа доступа к данным.

Недостатки: сложность реализации.

14. Организация программного обеспечения ввода-вывода.

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевыми принципами организации ПО ввода-вывода являются:

· Независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска. Каждому устройству присваивается свое логическое имя (в MSDOS – LPT, PRN, COM1, COM2 и т. д.). Для именования устройств должны быть приняты единые правила.

· Обработка ошибок. Ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если ему это не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

· Использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется как неблокирующие. При этом процессор, выдав команду на передачу данных, переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Это обеспечивает более полное использование процессора. При блокирующей передаче после поступления команды READ программа приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие. Поэтому ОС выполняет операции ввода-вывода как неблокирующие, но представляет их для пользовательских программ как блокирующие.

· Устранение проблем при работе с выделенными устройствами. Устройства ввода-вывода могут быть разделяемыми и выделенными. Диски – это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не представляет собой проблему. Принтеры – это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями.

Программное обеспечение ввода-вывода можно разделить на четыре уровня:

· Обработка прерываний

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. Процесс может блокировать себя, используя, например, вызов DOWN для семафора, или вызов WAIT для переменной условия, или вызов RECEIVE для ожидания сообщения. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода, используя вызовы UP, SIGNAL или посылая процессу сообщение. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение.

· Драйверы устройств

В операционной системе только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Драйвер устройства принимает запрос от устройств программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является чтение n блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь.

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, проверку, работает ли мотор, находится ли головка над нужным цилиндром. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности.

После передачи команды контроллеру драйвер должен решить, блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время, как при печати некоторого блока данных, то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.

· Независимый от устройств слой операционной системы

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. Точная граница между драйверами и независимыми от устройств программами определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам.

Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются:

· обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств,

· именование устройств,

· защита устройств,

· обеспечение независимого размера блока,

· буферизация,

· распределение памяти на блок-ориентированных устройствах,

· распределение и освобождение выделенных устройств,

· уведомление об ошибках.

Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения неудобно работать с блоками разной величины, поэтому данный слой обеспечивает единый размер блока, например, за счет объединения нескольких различных блоков в единый логический блок. В связи с этим верхние уровни имеют дело с абстрактными устройствами, которые используют единый размер логического блока независимо от размера физического сектора.

При создании файла или заполнении его новыми данными необходимо выделить ему новые блоки. Для этого ОС должна вести список или битовую карту свободных блоков диска. На основании информации о наличии свободного места на диске может быть разработан алгоритм поиска свободного блока, независимый от устройства и реализуемый программным слоем, находящимся выше слоя драйверов.

· Пользовательский слой программного обеспечения

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. Если программа, написанная на языке С, содержит вызов

count = write (fd, buffer, nbytes),

то библиотечная процедура write будет связана с программой. Набор подобных процедур является частью системы ввода-вывода. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Примером может служить функция printf языка С, которая принимает строку формата и, возможно, некоторые переменные в качестве входной информации, затем строит строку символов и делает вызов write для вывода этой строки. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит большое число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.

15. Общая модель файловой системы

Функционирование любой ФС можно представить многоуровневой моделью, в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.

Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано ОС. В других ФС, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).

На базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Характеристики файла могут входить в состав каталога(MS-DOS) или храниться в отдельных таблицах(Unix). При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в ОП, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог(MS-DOS) и сеть, если файл может входить сразу в несколько каталогов(Unix).

Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.

На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись. При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла.

На физическом уровне ФС определяет номер физического блока, который содержит требуемую логическую запись, и смещение логической записи в физическом блоке. Для решения этой задачи используются результаты работы логического уровня - смещение логической записи в файле, адрес файла на внешнем устройстве, а также сведения о физической организации файла, включая размер блока. Задача физического уровня решается независимо от того, как был логически организован файл.

После определения номера физического блока, ФС обращается к системе ввода-вывода для выполнения операции обмена с внешним устройством. В ответ на этот запрос в буфер файловой системы будет передан нужный блок, в котором на основании полученного при работе физического уровня смещения выбирается требуемая логическая запись.

16. Понятие и основные функции файловой системы

Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы организовать эффективную работу с данными, хранящимися во внешней памяти, и обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с такими данными. Организовать хранение информации на магнитном диске непросто. Это требует, например, хорошего знания устройства контроллера диска, особенностей работы с его регистрами. Непосредственное взаимодействие с диском - прерогатива компонента системы ввода-вывода ОС, называемого драйвером диска. Для того чтобы избавить пользователя компьютера от сложностей взаимодействия с аппаратурой, была придумана ясная абстрактная модель файловой системы. Операции записи или чтения файла концептуально проще, чем низкоуровневые операции работы с устройствами.

Перечислим основные функции файловой системы.

1. Идентификация файлов. Связывание имени файла с выделенным ему пространством внешней памяти.

2. Распределение внешней памяти между файлами. Для работы с конкретным файлом пользователю не требуется иметь информацию о местоположении этого файла на внешнем носителе информации. Например, для того чтобы загрузить документ в редактор с жесткого диска, нам не нужно знать, на какой стороне какого магнитного диска, на каком цилиндре и в каком секторе находится данный документ.

3. Обеспечение надежности и отказоустойчивости. Стоимость информации может во много раз превышать стоимость компьютера.

4. Обеспечение защиты от несанкционированного доступа.

5. Обеспечение совместного доступа к файлам, так чтобы пользователю не приходилось прилагать специальных усилий по обеспечению синхронизации доступа.

6. Обеспечение высокой производительности.

17. Способы физической организации файлов

Физическая организация файла (ФОФ) – это способ размещения файла на диске. Основные критерии эффективности физической организации файлов:

Скорость доступа к данным.
Объем адресной информации файла.
Степень фрагментированнности дискового пространства.
Максимально возможно размер файла.

Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Существует несколько способов физической организации файла. Непрерывное размещение – это простейший вариант ФОФ, при котором файлу предоставляется последовательность кластеров диска, образующих непрерывный участок дисковой памяти:

Достоинства способа: высокая скорость доступа, так как затраты на поиск и считывание кластеров файла минимальны, отсутствие фрагментации на уровне файла, минимален объем адресной информации – достаточно хранить только номер первого кластера и объем файла. Недостатки невозможно сказать, какого размера должна быть непрерывная область, выделяемая файлу, так как файл при каждой модификации может увеличить свой размер, фрагментация на уровне кластеров, из-за которой нельзя выбрать место для размещения файла целиком. Из-за этих недостатков на практике используются другие методы, при которых файл размещается в нескольких, в общем случае несмежных областях диска.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 481; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!