Операционная система как менеджер ресурсов

1. Операционная система (ОС) – это программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом. Операционная система как виртуальная машина

При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощения и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компьютером.

Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных команд очень неудобна для использования прикладными программами. Например, работа с диском предполагает знание внутреннего устройства его электронного компонента – контроллера для ввода команд вращения диска, поиска и форматирования дорожек, чтения и записи секторов и т. д. Ясно, что средний программист не в состоянии учитывать все особенности работы оборудования (в современной терминологии – заниматься разработкой драйверов устройств), а должен иметь простую высокоуровневую абстракцию, скажем представляя информационное пространство диска как набор файлов. Файл можно открывать для чтения или записи, использовать для получения или сброса информации, а потом закрывать. Это концептуально проще, чем заботиться о деталях перемещения головок дисков или организации работы мотора. Аналогичным образом, с помощью простых и ясных абстракций, скрываются от программиста все ненужные подробности организации прерываний, работы таймера, управления памятью и т. д. Более того, на современных вычислительных комплексах можно создать иллюзию неограниченного размера оперативной памяти и числа процессоров. Всем этим занимается операционная система. Таким образом, операционная система представляется пользователю виртуальной машиной, с которой проще иметь дело, чем непосредственно с оборудованием компьютера.

Операционная система как менеджер ресурсов

Операционная система как защитник пользователей и программ

Операционная система как постоянно функционирующее ядро

2. Первый период (1945–1955 гг.). Ламповые машины. Операционных систем нет Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об… Вычислительная система выполняла одновременно только одну операцию (ввод-вывод или собственно вычисления). Отладка…

Четвертый период (с 1980 г. по настоящее время). Персональные компьютеры. Классические, сетевые и распределенные системы.

Следующий период в эволюции вычислительных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). Наступила эра персональных компьютеров. Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения. В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем. В сетевых операционных системах пользователи могут получить доступ к ресурсам другого сетевого компьютера. Распределенная система, напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. В дальнейшем автономные операционные системы мы будем называть классическими операционными системами.

 

3. Системные вызовы

В любой операционной системе поддерживается механизм, который позволяет пользовательским программам обращаться к услугам ядра ОС.

Системные вызовы (system calls) – это интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Они создают, удаляют и используют различные объекты, главные из которых – процессы и файлы. Пользовательская программа запрашивает сервис у операционной системы, осуществляя системный вызов. Имеются библиотеки процедур, которые загружают машинные регистры определенными параметрами и осуществляют прерывание процессора, после чего управление передается обработчику данного вызова, входящему в ядро операционной системы. Цель таких библиотек – сделать системный вызов похожим на обычный вызов

подпрограммы.

Основное отличие состоит в том, что при системном вызове задача переходит в привилегированный режим или режим ядра (kernel mode). Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями

Прерывание (hardware interrupt) – это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, что произошло какое-либо событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении асинхронной операции ввода-вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Важный тип аппаратных прерываний – прерывания таймера, которые генерируются периодически через фиксированный промежуток времени. Прерывания таймера используются операционной системой при планировании процессов. Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер, однозначно определяющий источник прерывания.

Исключительная ситуация (exception) – событие, возникающее в результате попытки выполнения программой команды, которая по каким-то причинам не может быть выполнена до конца.

Исключительные ситуации, как и системные вызовы, являются синхронными событиями, возникающими в контексте текущей задачи. Исключительные ситуации можно разделить на исправимые и неисправимые.

Файлы предназначены для хранения информации на внешних носителях, то есть принято, что информация, записанная, например, на диске, должна находиться внутри файла. Обычно под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации.

4. Архитектурные особенности ОС

Монолитное ядро

Во многих операционных системах с монолитным ядром сборка ядра, то есть его компиляция, осуществляется отдельно для каждого компьютера, на который… Монолитное ядро – старейший способ организации операционных систем. Примером…

Многоуровневые системы (Layered systems)

Виртуальные машины

 

Микроядерная архитектура

  Основное достоинство микроядерной архитектуры – высокая степень модульности…

Смешанные системы

Наиболее тесно элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра переплетены в ядре Windows NT. 5. Классификация ОС

Реализация многозадачности

Так, в ОС MS-DOS можно организовать запуск дочерней задачи и наличие в памяти двух и более задач одновременно. Однако эта ОС традиционно считается… возможностей. Многозадачная ОС, решая проблемы распределения ресурсов и конкуренции, полностью реализует мультипрограммный режим в…

Поддержка многопользовательского режима

По числу одновременно работающих пользователей ОС можно разделить на:

• однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x);
• многопользовательские (Windows NT, Unix).

Наиболее существенное отличие между этими ОС заключается в наличии у многопользовательских систем механизмов защиты персональных данных каждого пользователя.

Системы реального времени

Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно…

Многопроцессорная обработка

6. Понятие процесса В ряде учебных пособий и монографий для простоты предлагается рассматривать…

Состояния процесса

  Процесс, находящийся в состоянии процесс исполняется, через некоторое время… Это очень грубая модель, она не учитывает, в частности, то, что процесс, выбранный для исполнения, может все еще ждать…

Набор операций

создания и завершения процесса являются одноразовыми, так как применяются к процессу не более одного раза (некоторые системные процессы при работе…

Process Control Block и контекст процесса

. Блок управления процессом является моделью процесса для операционной системы. Любая операция, производимая операционной системой над процессом,…

Process Control Block и контекст процесса

. Блок управления процессом является моделью процесса для операционной системы. Любая операция, производимая операционной системой над процессом,…

Одноразовые операции

. Процесс, инициировавший создание нового процесса, принято называть процессом-родителем (parent process), а вновь созданный процесс – процессом-ребенком (child process). Процессы-дети могут в свою очередь порождать новых детей и т. д., образуя, в общем случае, внутри системы набор генеалогических деревьев процессов – генеалогический лес. Пример генеалогического леса изображен на рисунке 2.4. Следует отметить, что все пользовательские процессы вместе с некоторыми процессами операционной системы принадлежат одному и тому же дереву леса. В ряде вычислительных систем лес вообще вырождается в одно такое дерево.

 

При рождении процесса система заводит новый PCB с состоянием процесса рождение и начинает его заполнять. Новый процесс получает собственный уникальный идентификационный номер. Поскольку для хранения идентификационного номера процесса в операционной системе отводится ограниченное количество битов, для соблюдения уникальности номеров количество одновременно присутствующих в ней процессов должно быть ограничено. После завершения какого-либо процесса его освободившийся идентификационный номер может быть повторно использован для другого процесса.

Обычно для выполнения своих функций процесс-ребенок требует определенных ресурсов: памяти, файлов, устройств ввода-вывода и т. д

После наделения процесса-ребенка ресурсами необходимо занести в его адресное пространство программный код, значения данных, установить программный счетчик.

После того как процесс наделен содержанием, в PCB дописывается оставшаяся информация, и состояние нового процесса изменяется на готовность.

Порождение нового процесса как дубликата процесса-родителя приводит к возможности существования программ (т. е. исполняемых файлов), для работы которых организуется более одного процесса.

Следует заметить, что в ряде операционных систем (например, в VAX/VMS) гибель процесса-родителя приводит к завершению работы всех его "детей".

Приостановка процесса. Работа процесса, находящегося в состоянии исполнение, приостанавливается в результате какого-либо прерывания. Процессор автоматически сохраняет счетчик команд и, возможно, один или несколько регистров в стеке исполняемого процесса, а затем передает управление по специальному адресу обработки данного прерывания.

Блокирование процесса. Процесс блокируется, когда он не может продолжать работу, не дождавшись возникновения какого-либо события в вычислительной системе. Для этого он обращается к операционной системе с помощью определенного системного вызова.

Разблокирование процесса. После возникновения в системе какого-либо события операционной системе нужно точно определить, какое именно событие произошло. Затем операционная система проверяет, находился ли некоторый процесс в состоянии ожидание для данного события, и если находился, переводит его в состояние готовность, выполняя необходимые действия, связанные с наступлением события (инициализация операции ввода-вывода для очередного ожидающего процесса и т. п.). Эта операция, как и операция блокирования, будет подробно описана в лекции 13.

8. Уровни планирования

Планирование заданий используется в качестве долгосрочного планирования процессов. Оно отвечает за порождение новых процессов в системе, определяя ее степень мультипрограммирования, т. е. количество процессов, одновременно находящихся в ней. Если степень мультипрограммирования системы поддерживается постоянной, т. е. среднее количество процессов в компьютере не меняется, то новые процессы могут появляться только после завершения ранее загруженных. Поэтому долгосрочное планирование осуществляется достаточно редко, между появлением новых процессов могут проходить минуты и даже десятки минут.

Планирование использования процессора применяется в качестве краткосрочного планирования процессов. Оно проводится, к примеру, при обращении исполняющегося процесса к устройствам ввода-вывода или просто по завершении определенного интервала времени. Поэтому краткосрочное планирование осуществляется, как правило, не реже одного раза в 100 миллисекунд. Выбор нового процесса для исполнения оказывает влияние на функционирование системы до наступления очередного аналогичного события, т. е. в течение короткого промежутка времени, чем и обусловлено название этого уровня планирования – краткосрочное.

В некоторых вычислительных системах бывает выгодно для повышения производительности временно удалить какой-либо частично выполнившийся процесс из оперативной памяти на диск, а позже вернуть его обратно для дальнейшего выполнения.

Когда и какой из процессов нужно перекачать на диск и вернуть обратно, решается дополнительным промежуточным уровнем планирования процессов – среднесрочным.

9. Параметры планирования

Для осуществления поставленных целей разумные алгоритмы планирования должны опираться на какие-либо характеристики процессов в системе, заданий в очереди на загрузку, состояния самой вычислительной системы, иными словами, на параметры планирования. В этом разделе мы опишем ряд таких параметров, не претендуя на полноту изложения.

Все параметры планирования можно разбить на две большие группы: статические параметры и динамические параметры. Статические параметры не изменяются в ходе функционирования вычислительной системы, динамические же, напротив, подвержены постоянным изменениям.

К статическим параметрам вычислительной системы можно отнести предельные значения ее ресурсов (размер оперативной памяти, максимальное количество памяти на диске для осуществления свопинга, количество подключенных устройств ввода-вывода и т. п.). Динамические параметры системы описывают количество свободных ресурсов на данный момент.

К статическим параметрам процессов относятся характеристики, как правило присущие заданиям уже на этапе загрузки.

• Каким пользователем запущен процесс или сформировано задание.
• Насколько важной является поставленная задача, т. е. каков приоритет ее выполнения.
• Сколько процессорного времени запрошено пользователем для решения задачи.
• Каково соотношение процессорного времени и времени, необходимого для осуществления операций ввода-вывода.
• Какие ресурсы вычислительной системы (оперативная память, устройства ввода-вывода, специальные библиотеки и системные программы и т. д.) и в каком количестве необходимы заданию.

Алгоритмы долгосрочного планирования используют в своей работе статические и динамические параметры вычислительной системы и статические параметры процессов (динамические параметры процессов на этапе загрузки заданий еще не известны). Алгоритмы краткосрочного и среднесрочного планирования дополнительно учитывают и динамические характеристики процессов. Для среднесрочного планирования в качестве таких характеристик может использоваться следующая информация:

• сколько времени прошло с момента выгрузки процесса на диск или его загрузки в оперативную память;
• сколько оперативной памяти занимает процесс;
• сколько процессорного времени уже предоставлено процессу.

10. Вытесняющее и невытесняющее планирование

Процесс планирования осуществляется частью операционной системы, называемой планировщиком. Планировщик может принимать решения о выборе для исполнения нового процесса из числа находящихся в состоянии готовность в следующих четырех случаях.

1. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние закончил исполнение.
2. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние ожидание.
3. Когда процесс переводится из состояния исполнение в состояние готовность (например, после прерывания от таймера).
4. Когда процесс переводится из состояния ожидание в состояние готовность (завершилась операция ввода-вывода или произошло другое событие). Подробно процедура такого перевода рассматривалась в лекции 2 (раздел "Переключение контекста"), где мы показали, почему при этом возникает возможность смены процесса, находящегося в состоянии исполнение.

Невытесняющее планирование используется, например, в MS Windows 3.1 и ОС Apple Macintosh. При таком режиме планирования процесс занимает столько процессорного времени, сколько ему необходимо. При этом переключение процессов возникает только при желании самого исполняющегося процесса передать управление (для ожидания завершения операции ввода-вывода или по окончании работы). Этот метод планирования относительно просто реализуем и достаточно эффективен, так как позволяет выделить большую часть процессорного времени для работы самих процессов и до минимума сократить затраты на переключение контекста. Однако при невытесняющем планировании возникает проблема возможности полного захвата процессора одним процессом, который вследствие каких-либо причин (например, из-за ошибки в программе) зацикливается и не может передать управление другому процессу. В такой ситуации спасает только перезагрузка всей вычислительной системы.

Вытесняющее планирование обычно используется в системах разделения времени. В этом режиме планирования процесс может быть приостановлен в любой момент исполнения. Операционная система устанавливает специальный таймер для генерации сигнала прерывания по истечении некоторого интервала времени – кванта. После прерывания процессор передается в распоряжение следующего процесса. Временные прерывания помогают гарантировать приемлемое время отклика процессов для пользователей, работающих в диалоговом режиме, и предотвращают "зависание" компьютерной системы из-за зацикливания какой-либо программы.

11. Алгоритм планирования

First-Come, First-Served (FCFS)

Такой алгоритм выбора процесса осуществляет невытесняющее планирование. Процесс, получивший в свое распоряжение процессор, занимает его до истечения… Преимуществом алгоритма FCFS является легкость его реализации, но в то же… Если процессы расположены в очереди процессов, готовых к исполнению, в порядке p0, p1, p2, то картина их выполнения…

Буферизация

18. Надежность средств связи Одним из существенных вопросов при рассмотрении всех категорий средств связи… Мы будем называть способ коммуникации надежным, если при обмене данными выполняются четыре условия. Не происходит…

Критическая секция

Здесь критический участок для каждого процесса – от операции "Обнаруживает, что хлеба нет" до операции "Возвращается в комнату"… · Сделать процесс добывания хлеба атомарной операцией можно было бы следующим… · Итак, для решения задачи необходимо, чтобы в том случае, когда процесс находится в своем критическом участке,…

Программные алгоритмы организации взаимодействия процессов

Требования, предъявляемые к алгоритмам

Надо заметить, что описание соответствующего алгоритма в нашем случае означает описание способа организации пролога и эпилога для критической…

Концепция семафоров

P(S): пока S == 0 процесс блокируется; S = S – 1; V(S): S = S + 1;

Концепция семафоров

P(S): пока S == 0 процесс блокируется; S = S – 1; V(S): S = S + 1;

Сообщения

В случае непрямой адресации мы будем обозначать их так: send(A, message) – послать сообщение message в почтовый ящик A; … Примитивы send и receive уже имеют скрытый от наших глаз механизм… 23.ТУПИКИ. УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТУПИКОВ.

Условия возникновения тупиков

Способы предотвращения тупиков

Система, предоставляя ресурс в распоряжение процесса, должна принять решение, безопасно это или нет. Возникает вопрос: есть ли такой алгоритм,…

Способы предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов. Алгоритм банкира

Суть алгоритма состоит в следующем. Предположим, что у системы в наличии n устройств, например лент. ОС принимает запрос от …

Обнаружение тупиков

Рассмотрим модельную ситуацию. Процесс P1 ожидает ресурс R1. Процесс P2 удерживает ресурс R2 и ожидает ресурс R1. Процесс P3 удерживает… Вопрос состоит в том, является ли данная ситуация тупиковой, и если да, то…  

Логическая память

Схема управления памятью, поддерживающая этот взгляд пользователя на то, как хранятся программы и данные, называется сегментацией. Сегмент – область… По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью…  

Связывание адресов

Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент…

Функции системы управления памятью

В следующих разделах лекции рассматривается ряд конкретных схем управления памятью. Каждая схема включает в себя определенную идеологию управления,…

Страничная память

Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамках страницы p,…