00-00001 (Лекции по Основам ВТ)

ОС. Функции ОС.

Информационно вычислительная система (ИВС)-это совокупность технических и програмных средств которые предназначены для решения задач связаной с автоматизацией обработки информации. Взаимодействие таких систем с внешним миром осуществляется с помощью датчиков обеспечивающие связь с пользователями или приборами с целью обработки данных и управления. ОС реального времени UNIX поддерживает работу интеллектуальной оболочки.

Основная ф-я информационно вычислительной системы представление услуг для решения традиционных задач: 1Управление инфой (хранение,введение, поиск, организация связей и т.д.)2разработка и отладка программ 3 эксплуатация программ. Можно считать что савокупность таких услуг представляет для пользователя некоторую абстракцию или виртуальную машину в противоположность реальной машине существующей физически. Описание этих услуг и правил конкретного пользователя в этих условиях образует интерфейс ОС. С развитием технических средств уровень абстракции в окружении ОС (входной язык)повышается. Объекты или операции расмотреные в качестве эл-х для конкретной абстр-й машины реализуется с помощью более сложных операций реальной физической машины. Кроме того пользователи одной и той же ИВС должны иметь возможность общатся с различными абстрактными машинами.

Концептуально сист. удобно расм-ть с помощью 2-х ф-й : 1 Ф-ии общие для широкого круга применения, реализуемые системными программами, 2 Ф-ии необ-е для решения конкретных задач (утилиты) реализуемые конкретными программами. При этом в прикладных программах исп-ся возм-ти обращения к системным программам.

Рассмотрим иерархическую структуру системы

прикладные программы, сист-е прогр-ы, физическая машина Здесь каждый “слой “ использует ресурсы слоя расположенного под ним, и формирует интерфейс для предоставления . своих ресурсов верхнему слою (автомат настройки). Интерфейс самого верхнего слоя является интерфейсом всей системы. Эта схема описывает декомпозицию системы очень приближенно. Границы между слоями могут быть подвижными динамическими(например, программа разл-я как прикладная может быть включена как системная если она постоянно используется ) . Некоторые ф-ии представленые в виде сист-й программы могут быть реализованы микропроцессором если это необходимо и оправдано экономией и удобством. Савокупность сист-х программ обычно имеют 2 уровня. Ср-ва и услуги (компиляторы, загрузщики, редакторы, служеб-е програм-ы , компиляторы, системное ПО ), компоненты системного ПО или сама ОС.Жесткой границы здесь нет.

Основные ф-ии ОС можно класифицировать по 2-м признакам : 1)Ф-ии реализуемые виртуальными машинами: а)управление инфой (структурирование , обеспечение сохранности, использование имен (виртуальная память),передача данных (ввод/вывод)), б) выполнение(последовательное или паралельное выполнение программ, компоновка прог и т.д.) , в) дополнительные услуги (помощь при отладке, обработка и прерывания аварийных ситуаций, изменение таймера ) .2) Ф-ии контроля и распределения ресурсов : управление физическими ресурсами (выделение оперативной памяти, внешней памяти, устройств ввода/вывода), распределение и обмен инфой между пользователями , защита от несанкционированого доступа, дополнительные услуги (выдача счетов за использованые ресурсы, сбор статистики, тестирование )

Развитие ОС. 1-е ОС имели пошаговое выполнение программ с непосредственным изменением ячеек памяти(асемблеры, компиляторы, отладчики и программы ввода вывода) эти программы созданы с целью выполнения всей последовательности работ ( организация данных и выполнение прикладных программ, подготовленных заранее и учитывающих переход от одной задачи к непосредственно другой .Основная ф-я ОС этого поколения – управление ресурсами(памятью, процессором, вводом/выводом ). Автоматизация управления позволяло наделить ОС ф-ми защиты от порчи и ошибок. Ограничение времени доступа к процессору чтобы устранить блокирование всей работы(зацикливание в одной проге ), надзор за вводом/выводом, чтобы избежать цикл. обращ переферийных устройств.,защита зоны памяти от ошибок пользовательских программ.

МУЛЬТИПРОГРАМИРОВАНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ 1)Введение автономных специализированных процессоров для передачи инфы(каналов или устройств обмена ) позволяющие освободить центральный процессор от полного обесп-я ввода/вывода 2) мультипрогр-е связанное с разделением памяти сразу для нескольких работ(Повысило производительность процессора за счет нескольких систем ввода/вывода) 3) Работа в режиме реального времени восстановила возможность интерактивного общения с машиной , предоставив возможность пользоваться общими услугами.

Рассмотрим влияние этих 3-х компонентов на ОС а) буферный ввод/вывод(канал или устройство обмена представляет собой процессор выполняющий автономно(паралельно с обработкой инфы)операции ввода/вывода ) .Ц.П. и каналы имеют доступ к общей информации в памяти. Поэтому одним из важных значений ЦП –скорость обработки, а каналов-скорость передачи.

Мульти програмирование Для обеспечения ввода/вывода память разделена на зону для буфера ввода/вывода и на рабочую зону, при этом задания обрабатываются последовательно,а ввод/вывод и выполнение задания происходит паралельно.

Отмечают 2-а случая: а)Если во время выполнения задания необходимо прочесть нужные данные, то во время чтения ЦП находится в пассивном состоянии, б) выполнение короткого задания поставленого во время выполнения длинного задания отключается до выполнения последнего. Из этих замечаний вытекают режимы работы ОС:а)Задание ожидает выполнение (может использовать ЦП который освобожден другим заданием), б)выделеное ЦП задание может быть прервано если превышаются ограничения по времени.

Достоинства и недостатки Мульти програмирования: а) сложность систем с МП явл. более сложной т.к обеспечивает разделение памяти и взаимную защиту программ друг от друга б) технические характеристики-МП требует специальные устройства для перемещения програм и защиты памяти в) использование ресурсов : более равномерно загружаются ресурсы (ЦП,память,устройства ввода/вывода). Удобства для пользователя: Уменьшается время обработки коротких заданий в общей последовательности работ. Время реакции ОС минимальна за счет оптимального распределения лишних ресурсов.

Система с распределением времени Основная ф-я предоставить каждому пользователю эквивалент индивидуальной машины и одновременно сохранять возможность пользоваться общими услугами. Система должна гарантировать доступное время ответа, за счет представления процессору программы на короткие промежутки времени(кванты).

МЕХАНИЗМЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММ Процедуры, активность и контекст. Посл-я программа состоит из савокупности процедур обращающихся друг к другу. С каждой из этих процедур связана отдельная- сегмент процедура. Сегмент данных может относится как к одной процедуре так ик нескольким. Активным состоянием называется процесс непрерывного выполнения одной процедуры . Таким образом выполнение послед. проги состоит из ряда активных состояний.

Контекстом активности-наз та часть инфы которая доступна ЦП во время данного активного состояния. Этот контекст таким образом контекст ЦП (програмные и внутренние регистры) и контекст памяти. Сегмент процедуры и сегменты данных. Переход от одной активности к другой реализуются с помощью спец инструкций-вызова из процедуры и возв-т из пр-ры который производит замену контекста.

Вызов и возврат процедурыПроцедура R (вызыв-я) вызывает процедуру У с помощью последовательности действий вызов. Которая включает следующие этапы: а) Подготовка параметров передаваемых из R в У, б)сохранение части контекста R до возврата из У, в)замена контекста R на контекст У.

Функционирование сопрограмм В случае управления сопрограммами вызывающая и вызываемая процедура играют симметричные роли (последовательность возврата идентична последовательности вызова). Активное состояние возникшее при вызове R получает в качестве исходного тот контекст который сохранился со времени последнего вызова процедуры R. Последовательность замены вкл следующие этапы а) подготовка парам-в из R вУ , б)сохранение части контекста R котор-я должна быть использована при последующих возобновлениях, в) вост-е контекста хранимого со временем последнего обращения к У.

Механизм посл-го выполнения содержащий процедуры или сопрограммы как последовательность активных состояний, соотв-х этим процедурам или сопрограммам и обеспечивающих : а) сохранение и востановление контекстов при вызове и возврате , б)передача параметров между вызываемой и вызвовшей программой , в) управление рабочими зонами памяти.

Процедуры ОС

.В качестве исполнительной структуры данных применяется стек выполнения . Возможны различные варианты стеков. Отлича-ся деталями спецификации контекста и его динамическими измененими при вызове и возврате процедуры. Схема выполнения может быть запрограмирована непосредственно на языке асемблера или представлена выполняемой структурой на обычном языке програмирования. Рассмотренная модель опирается на 2 гипотезы : а) параметры процедуры передаются по значению при возврате из процедур передается последний результат. Б) процедуры могут вызыватся рекурсивно. В вершине стека выполнения , при каждом вызове процедуры создается специальня структура данных, образующая область среды . Стек управляется с помощью 2-х указателей –база и вершина. БАЗА- указ на базу стека (адреса )среды активной процедуры. Вершина- указ на 1-ю свободную ячейку для создания новой среды. Состояние стека до и после вызова. СХЕМА .Среда содержит следующую информацию –сведения об участках хранения и связях (указатель базы+смещение), параметры (n+1 ячейка), локальные переменные и рабочее пространство процедуры.

Операции : а) вызов:1) выделить в стеке зону для среды (ее размер) за исключением рабочего пространства,2) время t:=база ;база:=вершина; вершина:=вершина+размер среды ; 3) сохранить инфу для возврата . Для сохранения используется: предыдущая база := ВРЕМЯ; размещение адреса возврата; 4)размещение параметров 5)выполнить переход к вызываемой процедуре. б) Процедура возврата: 1) Разместить результат в предусмотреных ячейках,2)востановить инфу возврата и очистить среду . Время(t):=адрес возврата; Вершина:=адрес база;База:= предыдущая база. 3)возврат реализует процедура— произведение переход навремя.

Состояние процессора. К регистрам определяющим состояние ЦП относятся: адресуемые регистры, управляемые программами,специализ-е регистры, предназначеные для некоторой синтаксической инфы(синтетической)-слово. . Инфа содержащаяся в слове сост проц-ра характеризует следующие : состояние выполнения (активное или ожидание),режим (распоредителя или исполнителя), маски прерывания,информация о доступном контексте в памяти ЭВМ и соотве-х правах доступа (таблица сегментов , указатели защиты памяти), инфа о текущем активном состоянии (условный код, порядковый счетчик).

Прерывания-представляют собой перестановку контекста процессора вызываемую внешними по отношению к выпол-ю инструкцией причиной. Физически прервания представляются сигналом о прерывание работы посылаемой не посредственно процессору этот сигнал вызывает изменение состояние указателя проверяемого в ходе выполнения каждой инструкции. Этот сигнал может послать другой процессор, внешнее устройство, ввода/вывода или пользователь . Прерывания вынуждают процессор приостановить в ближайшей точке прерывания выполнение текущей проги и приступить к выполнению другой спец программы . Эта прога наз обработчиком прерываний. Общая СХЕМА программы прерывания: Прерваная прога —обработчик прерыванийсохранение контекста проги обработка прерываний программы вост-е программыпереход к новой проге .

Захваты и обращение к супервизору. Вызываются причинами связаными с ходом выполнения инструкции. Захват сигнализирует ОС об аномалии при выполнении инструкций. Причины- неправильные данные приводящие к нарушению правил хода выполнения инструкции, попытка выполнения операции запрещеной защищающим устройством, невыполняемая инструкция (адресс вне поля памяти, обращение к несущему устройству) .

КРАТКИЙ ОБЗОР ОС.

ОС в большой степени опрелеляет представления пользователя об ЭВМ, чем аппаратура ЭВМ. ОС- набор пограмм, обеспечивающих возможность использования аппаратуры компьютера. Любая ОС реализует множество различных ф-ий. Определяет интерфейс пользователя , обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между пользователями, дает возможность работать с общими данными в режиме колективного пользования, планирует доступ пользователя к ресурсам, обеспечивет эффективное использование операций ввода/вывода , осуществляет востановление инфы и вычисление процесса в случае сбоев и ошибок. ОС управляет : процессорами, памятью ,устройствами ввода/вывода ,и данными. ОС взаимодействует с пользователем , системными прикладными программами ,программами и АППАратными средствами. ПОКОЛЕНИЯ ОС .

1)нулевое поколение(40г.) в 1-х ЭВМ ОС не было. Пользователи имели полный доступ к машинному языку и все проги писались в исходных кодах. 2)1-е поколение (50-е г.) Ос 50-х годов были разработаны с целью ускорения и упрощения перехода с задачи на задачу. До создания этих ОС много машинного времени тратилось в промежутках м/у завершением одной проги и началом другой. Это было начало систем пакетной обработки, которые предусматривали объединение отдельных пакетов в группы 3) 2-е поколение начало 60-х годов. Были задуманы как ОС колективного пользования с мульти програмным режимом работы и как 1-е системы мультипроцессорного типа.В этих ОС несколько полезных программ одновременно находится в основной памяти компьютера ,а центральный процессор переключается от задачи к задаче. Появляются методы обеспечивающие независимое програмирование от внешних устройств. Появляются сист с разделением времени ,которые позволяли пользователю взаимодействовать с компьютором при помощи пультов терминалов. В системе разде-го вр-ни работающих в диалоговом режиме. Появл-ся 1-е системы реального времени. 4) 3-е поколение (середина 60-х до70-х) Многорежимные системы. Некоторые из этих ОС осуществ-т работу в нескольких извесных режимах-пакетная обработка, разделение времени, Real Time ,мультипроцессорный режим . Минус -они были громозкими и дорогостоящими. Привели к сильному усложнению вычислительной установки. 5) 4-е поколение (середина 80-х до 90-х ) наиболее совершенные системы настоящего времени. Интернет технология, глобальные и локальные сети, технология удаленого доступа при помощи различных терминалов различных ОС, появление микропроцессора. Усложнились проблемы защиты инфы(хакерство). Появились виртуальные машины с распр-ми БД. АППАРАТУРА, ПО, МИКРОПРОГРАММЫ.

Расслоение памяти или interliving этот метод применяется для увеличения скорости доступа к основной памяти в реальной ситуации. При обращении хотя бы к одной из ячеек памяти ни каких операций с памятью производить нельзя. При интерливинде соседние по адресам ячейки размещены в различных модулях памяти. Появляется возможность паралельной работы с памятью.

Регистр перемещения обеспечивает возможность динамического перемещения программ в памяти. В этот регистр заносится базовый адресс проги хранящейся в основной памяти. После обращения к регистру , содержимое регистра+ каждому указ в вып-ой прог-ме адресу(база +смещение). Прерывание и опрос состояния. Одним из способов позволяющих некоторому устройству проверить состояние другого устройства которое работает часто независимо называется элементарный опрос этого устройства (опрос ячеек памяти).1-е устройство может периодически проверяет находится ли второе устройство в определенном состоянии и если нет то продолжать свою работу. Состояние устройства работа которого прерывается должно быть сохранено только после этого производится обработка прерывания .