LectOS1po12 (Лекции по операционным системам)

Перечень тем, рассмотренных в лекциях

Лекция N1: 1. Первоначальные сведения о курсе ОВП: структура общего программного обеспе чения, понятие об ОС, терминология, ресурсы.

2. Эволюция аппаратных средств поддержки ОС и режимов работы в ЭВМ 1-го - 4-го поколений.

Лекция N2: 1. Система прерывания программ.

2. Таймер, интервальный таймер.

Лекция N3. 1. Концепции процесса.

2. Ядро ОС.

3. Планирование загрузки процессоров.

Лекция N4. Управление памятью. Организация памяти.

Лекция N5. Управление вводом-выводом данных в ЭВМ.

Лекция N6. Система управления данными (файловая система).

Лекция N7. Оценка производительности вычислительных систем.

Лекция N8. Локальные вычислительные сети.

Лекция N9. Локальные вычислительные сети (окончание).

Лекция N10. Базы и банки данных.

Лекция N11. 1. Общие принципы функционирования MS DOS.

2. Резидентные программы.

3. Проблема реентерабельности программ в MS DOS.

Лекция N12. 1.Режимы работы ЭВМ с ЦП 80х86 (х > 2). Эмуляция MS DOS в режиме V86.

2.Принципы обеспечения в ОС многозадачного и многопользовательского режимов.

Лекция N 1

Предмет курса "Организация вычислительного процесса"

В этом курсе изучаются:

- принципы организации вычислительного процесса (ОВП) в электронных вычислительных машинах (ЭВМ), вычислительных комплексах (ВК)и вычислительных системах (ВС);

- функции различных аппаратных и программных средств, используемых для ОВП;

- средства организации больших об'емов данных.

Все программное обеспечение(ПО) может быть разделено на 2 части:

- общее ПО (ОПО),

- прикладное ПО (ППО).

К ОПО относят совокупность программных средств, не связанных непосредственно с решением введенных пользователем конкретных вычислительных задач, однако эти средства существенно влияют на эффективность функционирования ЭВМ и процесса разработки ПО.

Структура ОПО:

В состав ОПО входят следующие основные компоненты:

• операционные системы (ОС);

• комплекс программ для системы технического обслуживания ЭВМ, ВК и ВС (программы контроля работоспособности аппаратуры, программы диагностического контроля аппаратуры, программы обеспечения живучести ЭВМ, ВК и ВС);

• средства подготовки программ ППО к исполнению на ЭВМ (загрузчики, трансляторы с исходных текстов, записанных на каком-либо языке программирования, в последовательность машинных кодов для исполнения на ЭВМ, компоновщики, отладчики программ, написанных на языке ассемблера или языке высокого уровня);

• средства измерения параметров вычислительного процесса и комплексной отладки сложных программных систем, средства моделировании работы специализированных ЭВМ и ВС.

В курсе ОВП будут изучаться главным образом ОС; некоторое внимание будет также уделено средствам 2-й и 4-й групп.

Определение термина "ОС" и перечень функций, выполняемых ОС

Существует достаточно большое число определений этого термина, например: ОС - это комплекс программ, обеспечивающий в ЭВМ, ВК или ВС выполнение других программ, распределение ресурсов, планирование прохождения заданий, ввод-вывод данных и управление данными.

Перечислим основные функции ОС:

• выполнение действий при начальном пуске ЭВМ после ее включения;

• ввод-вывод данных;

• прием команд от пользователя;

• запуск, выполнение и завершение программ ППО;

• запись и чтение файлов, т.е. поименованных наборов данных, размещенных во внешней памяти;

• ликвидация последствий сбоев аппаратуры или оповещение пользователя о них;

• отсчет текущего времени.

Можно сказать, что ОС - это программная надстройка над аппаратурой ЭВМ, ВК или ВС, служащая для повышения эффективности и упрощения процесса выполнения программ ППО на ЭВМ, ВК или ВС (далее там, где это не будет специально оговариваться, вместо перечисления "ЭВМ, ВК, ВС" будет упоминаться только термин "ЭВМ").

Терминология, принятая при рассмотрении ОС

Перечислим некоторые из наиболее часто используемых терминов.

Пользователь - любой желающий выполнить какую-то работу на ЭВМ.

Процесс - это некоторая деятельность, связанная с выполнением программы задачи на ЭВМ.

Мультипрограммирование - термин, относящийся к системе, которая может иметь несколько процессов в состоянии выполнения одновременно.

Привилегированные команды - их выполнение доступно только ОС, но не программам пользователей.

Состояния ЭВМ - состояние задачи и состояние супервизора, причем каждое из этих состояний соответствует одному из двух состояний соответствующего триггера; в ряде современных ЭВМ, например, в ЭВМ типа IBM PC с центральным процессором (ЦП) типа 80х86, где х > 2, вместо двух состояний ЭВМ используется большее их число (4 в указанных ЭВМ) и каждое из таких состояний определяет свой уровень привилегий.

Аппаратные средства защиты памяти используются для управления доступом к соответствующим областям памяти.

Ресурс - аппаратные, программные и информационные компоненты системы, предоставляемые в распоряжение процесса для его реализации.

Типы ОС:

• Однопользовательская однозадачная ОС, например MS DOS для ЭВМ с ЦП типа 80х86.

• Однопользовательская многозадачная ОС - запускается с одного терминала; примером ОС с ограниченным типом многозадачности является ОС Windows 3.1; для ЭВМ 2-го - 3-го поколений к этому типу ОС можно было отнести те из них, в которых была организована так называемая пакетная обработка заданий.

• Многопользовательская ОС - осуществляет одновременную работу нескольких пользователей на каждом из их терминалов, например, UNIX, Windows NT и т.д.

• Многопроцессорная ОС, организующая работу в многопроцессорных ВК.

• Операционная система реального масштаба времени, организующая работу в вычислительных системах реального времени, например VxWorks.

Основные принципы построения ОС

ОС различаются по назначению, выполняемым функциям, формам реализации. В этом смысле каждая ОС - это уникальная сложная программная система. Однако существуют и общие принципы, реализованные большинстве ОС:

• модульность, при которой каждый модуль выполняет определенную функцию и может быть относительно легко заменен на другой;

• функциональная избирательность, состоящая в выделении наиболее важных и часто используемых модулей в ядро ОС, которое размещается в оперативной памяти (ОП) ЭВМ для постоянного хранения (это так называемые резидентные программы);

• генерируемость ОС, т.е. настройка на требуемую конфигурацию вычислительной системы, осуществляемая в процессе загрузки или корректировки ОС;

• выполнение некоторых действий по умолчанию, т.е. при отсутствии указаний со стороны пользователей или главного оператора используются значения параметров, заложенные в ОС;

• перемещаемость модулей ОС (и прикладных программ), обеспечивается аппаратурными и программными средствами;

• защита модулей ОС и программ пользователей, находящихся как в ОП, так и во внешней памяти, размещаемой во внешних запоминающих устройствах (ВЗУ), от искажений или неправильных действий со стороны пользователей и их программ;

• независимость программ от внешних устройств; наиболее последовательно этот принцип реализован в ОС UNIX;

• открытость ОС и возможность ее наращивания.

Общие принципы управления ресурсами

Обычно полагают, что ОС является набором программ, созданных для управления ресурсами системы, а именно:

• внутренней оперативной и виртуальной памятью;

• центральными процессорами (одним процессором в однопроцессорной системе);

• периферийными устройствами (ПУ);

• информацией (программой и данными).

Эти ресурсы во многих случаях являются весьма дефицитными, поэтому задача ОС состоит в том, чтобы эффективно использовать их и разрешать конфликты, возникающие в результате конкуренции между процессами различных пользователей или различных ЦП. ОС должна хранить информацию о состоянии любого ресурса, решать, какой процесс должен полуить ресурс (в каком количестве и когда), выделять его и в конце концов освобождать его.

Эволюция аппаратных средств поддержки ОС и режимов работы

в ЭВМ первого - четвертого поколений

К основным аппаратным средствам поддержки ОС можно отнести:

- систему прерывания программ (СПП);

- таймер;

- средства управления работой ПУ;

- средства формирования адресов внутренней памяти, обеспечивающие перемещаемость программ и данных;

- триггер система-пользователь или заменяющее его устройство выработки уровня привилегий;

- средства выполнения привилегированных команд ЭВМ;

- средства обеспечения работы виртуальной памяти;

- систему защиты памяти.

В ЭВМ 1-го поколения из всех перечисленных средств существовали только средства прямого управления работой ПУ, с помощью которых обмен с ПУ производился через регистры арифметического устройства (АУ), в результате этого имели место простои центрального процессора при обменах с ПУ. Организация вычислительного процесса возлагалась на самих пользователей, так как ОС в этих ЭВМ отсутствовали. Следствием такой организации являлась крайне низкая эффективность использования машинного времени в ЭВМ 1-го поколения, так как до 90% от него расходовалось на поиск и устранение ошибок в программах, выполняемых на ЭВМ, а центральный процессор при этом в основном простаивал.

Для устранения рассмотренных недостатков в ЭВМ 2-го поколения были реализованы некоторые аппаратные средства, повышающие эффективность вычислительного процесса:

- введена аппаратура преобразования адресов;

- в составе ЦП появились средства для выполнения привилегированных операций;

- для обмена информации с ПУ появились средства косвенного управления работой этих ПУ (так называемые каналы), с помощью которых АУ было освобождено от необходимости участвовать в процессе обмена с ПУ;

- в составе ЭВМ появилась СПП, одной из функций которой стала обработка сигналов, поступающих от каналов;

- в составе некоторых ЭВМ появились таймеры.

Внедрение перечисленных средств в ЭВМ 2-го поколения позволило начать использование ОС в этих ЭВМ, причем с целью уменьшения простоев ЦП в этих ОС был реализован так называемый пакетный режим рабо-ты. Суть его сводилась к следующему:

• задания программистов-пользователей, набитые на перфокартах, сдавались в группу главного оператора ЭВМ для последующего использования их в пакете заданий на выполнение в ЭВМ;

• результаты, полученные при выполнении каждого задания из такого пакета, выводились на бумажные носители для последующей передачи их пользователям;

• пользователь, получивший в группе главного оператора результаты выполнения своей программы на ЭВМ, анализировал за своим рабочим столом эти результаты и при необходимости готовил новое задание для сдачи его в группу главного оператора и последующего выполнения на ЭВМ;

• если в процессе выполнения на ЭВМ какого-либо задания из пакета проявлялась программная ошибка, в результате чего выполнение этого задания на ЭВМ становилось невозможным (например, имело мест деление на ноль), то это задание автоматически исключалось из обработки, а для пользователя могли выдаваться на печать некоторые данные о прохождении его задания, например, так называемый посмертный дамп.

Очевидно, что при такой организации вычислительного процесса на ЭВМ простои ЦП были сведены к минимуму, однако и программисты-пользователи оказались отлученными от ЭВМ, что не могло не сказаться отрицательным образом на суммарном времени прохождения задания каждого из этих пользователей на ЭВМ, т.е. от момента первой сдачи задания для исполнения на ЭВМ до окончательного завершения работы над этим заданием.

При создании ЭВМ 3-го поколения был продолжен процесс совершенствования в них аппаратных средств, используемых для организации вычислительного процесса с целью повышения эффективности последнего.

Перечислим эти аппаратные средства:

• средства формирования адресов, обеспечивающие перемещаемость программ и данных;

• таймеры, которые появились теперь во всех ЭВМ;

• средства обеспечения работы виртуальной памяти;

• система защиты памяти;

• видеотерминалы с клавиатурой.

Основным режимом, используемым в ЭВМ 3-го поколения, стал режим разделения времени, при котором у каждого пользователя, находящегося за видеотерминалом, появилась возможность непосредственного взаимо-

действия с ЭВМ в режиме диалога. Это позволило устранить главный недостаток, характерный для использования ЭВМ 2-го поколения - отчужденность программиста-пользователя от общения с ЭВМ.

Лекция N 2

Cистема прерывания программ (СПП)

1. Понятие о состоянии программы. Вектор (слово) состояния

Вектор состояния, или слово состояния программы (ССП), в любой момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора состояния. При этом предполагается, что остальная информация, характеризующая состояние программы, например, содержимое всех или части программно-адресуемых регистров, может при необходимости быть сохранена программным путем в оперативной памяти ЭВМ.

ССП формируется в соответствующих регистрах центрального процессора (ЦП), изменяясь после выполнения каждой команды. Разные ЭВМ имеют разные наборы информационных элементов, образующих ССП. Например, в реальном режиме работы микропроцессора 80х86 ССП, сохраняемое в стеке, содержит следующие составляющие:

• значение регистра сегмента команд CS (в ячейках памяти этого сегмента содержатся команды выполняемой программы);

• значение регистра указателя команд IP;

• значение регистра флагов FLAGS.

2. Принципы организации СПП