МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Курынин Р.В., Машечкин И.В., Терехин А.Н.

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Конспект лекций

МОСКВА

2006

Содержание

Содержание 2

1 Введение 5

1.1 Основы архитектуры вычислительной системы 10

1.1.1 Структура ВС 10

1.1.2 Аппаратный уровень ВС 11

1.1.3 Управление физическими ресурсами ВС 12

1.1.4 Управление логическими/виртуальными ресурсами 14

1.1.5 Системы программирования 16

1.1.6 Прикладные системы 22

1.1.7 Выводы, литература 27

1.2 Основы компьютерной архитектуры 30

1.2.1 Структура, основные компоненты 30

1.2.2 Оперативное запоминающее устройство 32

1.2.3 Центральный процессор 36

1.2.3.1 Регистровая память 37

1.2.3.2 Устройство управления. Арифметико-логическое устройство 37

1.2.3.3 КЭШ-память 38

1.2.3.4 Аппарат прерываний 40

1.2.4 Внешние устройства 44

1.2.4.1 Внешние запоминающие устройства 45

1.2.4.2 Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами 49

1.2.4.3 Потоки данных. Организация управления внешними устройствами 50

1.2.5 Иерархия памяти 52

1.2.6 Аппаратная поддержка операционной системы и систем программирования 53

1.2.6.1 Требования к аппаратуре для поддержки мультипрограммного режима 53

1.2.6.2 Проблемы, возникающие при исполнении программ 56

1.2.6.3 Регистровые окна 58

1.2.6.4 Системный стек 60

1.2.6.5 Виртуальная память 60

1.2.7 Многомашинные, многопроцессорные ассоциации 64

1.2.8 Терминальные комплексы (ТК) 67

1.2.9 Компьютерные сети 69

1.2.10 Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель ISO/OSI 71

1.2.11 Семейство протоколов TCP/IP. Соответствие модели ISO/OSI 73

1.3 Основы архитектуры операционных систем 78

1.3.1 Структура ОС 80

1.3.2 Логические функции ОС 83

1.3.3 Типы операционных систем 84

2 Управление процессами 87

2.1 Основные концепции 87

2.1.1 Модели операционных систем 87

2.1.2 Типы процессов 89

2.1.3 Контекст процесса 90

2.2 Реализация процессов в ОС Unix 91

2.2.1 Процесс ОС Unix 91

2.2.2 Базовые средства управления процессами в ОС Unix 93

2.2.3 Жизненный цикл процесса. Состояния процесса 100

2.2.4 Формирование процессов 0 и 1 101

2.3 Планирование 104

2.4 Взаимодействие процессов 104

2.4.1 Разделяемые ресурсы и синхронизация доступа к ним 104

2.4.2 Способы организации взаимного исключения 106

2.4.3 Классические задачи синхронизации процессов 108

3 Реализация межпроцессного взаимодействия в ОС Unix 115

3.1 Базовые средства реализации взаимодействия процессов в ОС Unix 115

3.1.1 Сигналы 117

3.1.2 Неименованные каналы 122

3.1.3 Именованные каналы 129

3.1.4 Модель межпроцессного взаимодействия «главный–подчиненный» 130

3.2 Система межпроцессного взаимодействия IPC (Inter-Process Communication) 134

3.2.1 Очередь сообщений IPC 136

3.2.2 Разделяемая память IPC 142

3.2.3 Массив семафоров IPC 144

3.3 Сокеты — унифицированный интерфейс программирования распределенных систем 149

4 Файловые системы 155

4.1 Основные концепции 155

4.1.1 Структурная организация файлов 156

4.1.2 Атрибуты файлов 157

4.1.3 Основные правила работы с файлами. Типовые программные интерфейсы 158

4.1.4 Подходы в практической реализации файловой системы 161

4.1.5 Модели реализации файлов 163

4.1.6 Модели реализации каталогов 165

4.1.7 Соответствие имени файла и его содержимого 166

4.1.8 Координация использования пространства внешней памяти 167

4.1.9 Квотирование пространства файловой системы 168

4.1.10 Надежность файловой системы 169

4.1.11 Проверка целостности файловой системы 170

4.2 Примеры реализаций файловых систем 172

4.2.1 Организация файловой системы ОС Unix. Виды файлов. Права доступа 173

4.2.2 Логическая структура каталогов 174

4.2.3 Внутренняя организация файловой системы: модель версии System V 175

4.2.3.1 Работа с массивами номеров свободных блоков 176

4.2.3.2 Работа с массивом свободных индексных дескрипторов 176

4.2.3.3 Индексные дескрипторы. Адресация блоков файла 177

4.2.3.4 Файл-каталог 178

4.2.3.5 Достоинства и недостатки файловой системы модели System V 180

4.2.4 Внутренняя организация файловой системы: модель версии Fast File System (FFS) BSD 180

4.2.4.1 Стратегии размещения 181

4.2.4.2 Внутренняя организация блоков 182

4.2.4.3 Выделение пространства для файла 183

4.2.4.4 Структура каталога FFS 183

4.2.4.5 Блокировка доступа к содержимому файла 184

5 Управление оперативной памятью 186

5.1 Одиночное непрерывное распределение 186

5.2 Распределение неперемещаемыми разделами 187

5.3 Распределение перемещаемыми разделами 189

5.4 Страничное распределение 190

5.5 Сегментное распределение 197

5.6 Сегментно-страничное распределение 199

6 Управление внешними устройствами 201

6.1 Общие концепции 201

6.1.1 Архитектура организации управления внешними устройствами 201

6.1.2 Программное управление внешними устройствами 202

6.1.3 Планирование дисковых обменов 203

6.1.4 RAID-системы. Уровни RAID 206

6.2 Работа с внешними устройствами в ОС Unix 209

6.2.1 Файлы устройств, драйверы 209

6.2.2 Системные таблицы драйверов устройств 210

6.2.3 Ситуации, вызывающие обращение к функциям драйвера 211

6.2.4 Включение, удаление драйверов из системы 211

6.2.5 Организация обмена данными с файлами 212

6.2.6 Буферизация при блок-ориентированном обмене 213

6.2.7 Борьба со сбоями 214

1Введение

Настоящая книга основывается на многолетнем опыте чтения авторами курсов лекций и проведении семинарских занятий по операционным системам на факультете вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (Россия) и на факультете компьютерных наук университета Ватерлоо (Онтарио, Канада).

Операционная система является одним из ключевых понятий, связанных с функционированием компьютеров и их программного обеспечения. В существующей литературе многие понятия, связанные с вычислительной техникой, определяется неоднозначно, что иногда вносит путаницу в представление полной картины того, что и как функционирует в современном компьютере. Неоднозначностью определений страдает и понятие операционная система. В каких-то источниках операционная система определяется, «как система интерфейсов, предназначенная для обеспечения удобства работы пользователя с компьютером », в каких-то — это «посредник между программами пользователя и аппаратными средствами », кто-то сопоставляет это понятие с «возможностями и интерфейсами, предоставляемыми инструментальными средствами программирования и/или прикладными системами ». В целом, каждая из перечисленных интерпретаций понятия операционная система имеет право на существование, и природа появления того или иного представления ясна. Однако многие из используемых трактовок термина операционная система ориентированы на конкретную категорию пользователей (программист, пользователь прикладной системы, системный программист и т.п.) и не формируют целостной картины функций свойств и взаимосвязей с другими компонентами программного обеспечения и аппаратуры компьютера.

Авторы настоящей книги ставили перед собой цель выстроить систему определений и рассмотреть основные свойства и примеры реализации тех или иных аппаратных и программных компонентов, функционирующих в компьютере, в их взаимосвязи, акцентировав основное внимание на понятии операционная система, на основах ее построения, примерах организации тех или иных частей наиболее распространенных на сегодняшний день ОС.

История появления и развития операционных систем целиком и полностью связана с развитием и становлением аппаратных возможностей компьютеров. Рассмотрим ключевые этапы этого процесса.

Первое поколение компьютеров: середина 40-х — начало 50-х годов XX века. Компьютеры этого поколения строились на электронно-вакуумных лампах. В 1946 г. в Пенсильванском университете США была разработана вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая считается одной из первых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Данная машина была разработана по заказу министерства обороны США и применялась для решения задач энергетики и баллистики. Производительность таких компьютеров измерялась от сотен до тысяч команд (операций) в секунду. Компьютер состоял из процессора, оперативного запоминающего устройства и достаточно примитивных внешних устройств: устройства вывода (вывод цифровой информации на бумажную ленту), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) — аппаратных средств хранения готовых к исполнению программы и данных (магнитные ленты), и устройства ввода, позволявшего вводить в оперативную память компьютера предварительно подготовленные на специальных носителях (перфокартах, перфоленте и пр.) программы и данные.

Изначально компьютеры первого поколения использовались в однопользовательском, персональном режиме, т.е. вся система монопольно предоставлялась одному пользователю, при этом программа и необходимые данные, представленные в машинных кодах в двоичном представлении, вводились в оперативную память, а затем запускалась на исполнение. Пользователь (программист) использовал аппаратную консоль (или пульт управления) компьютера для ввода и запуска программы чтения данных через устройства ввода. Результат выполнения программы выводился на устройство печати. В случае возникновения ошибки работа компьютера по выполнению команд программы прерывалась, и возникшая ситуация отображалась на индикаторах пульта управления, содержание которых анализировалось программистом. Программирование в машинных кодах привносило ряд проблем, связанных с техническими сложностями написания, модификации и отладки программы. Кроме того, в задачу программиста входило кодирование всех необходимых операций ввода/вывода с помощью специальных машинных команд управления внешними устройствами. В этот период от пользователя компьютера требовались не только алгоритмические знания и навыки решения конкретной прикладной задачи, но и достаточно хорошие знания организации и использования аппаратуры компьютера, доскональное знание системы команд и кодировки, используемой в данном компьютере, знание особенностей программирования устройств ввода/вывода, т.е. программист должен был быть, отчасти, и инженером-электронщиком. На этапе существования компьютеров первого поколения появился класс программ, обеспечивающих определенные сервисные функции программирования — это ассемблеры, первые языки высокого уровня и трансляторы для этих языков, а также простейшие средства организации и использования библиотек программ. Кроме того, можно говорить о зарождении класса сервисных, управляющих программ: представителями этого класса являлись программы чтения и загрузки в оперативную память программ и данных с внешних устройств. Эти программы были предопределены фирмой-разработчиком компьютеров и вводились в оперативную память с использованием аппаратной консоли. Так при помощи консоли было возможно вручную ввести в оперативную память последовательность команд, составляющих управляющую программу, и осуществить ее запуск. В случае если управляющая программа размещалась на внешнем запоминающем устройстве, через аппаратную консоль вводилась последовательность команд, обеспечивающих чтение кода управляющей программы в оперативную память и передачу управления на ее точку входа.

Компьютеры второго поколения: конец 50-х годов — вторая половина 60-х годов ХХ века. Традиционно, с компьютерами второго поколения связывается использование полупроводниковых приборов — диодов и транзисторов, которые по функциональной емкости, размеру, энергопотреблению в десятки раз превосходили возможности электронно-вакуумных ламп. В результате компьютеры второго поколения стали обладать существенно более развитыми логическими возможностями и в тысячи раз превосходили компьютеры первого поколения по производительности. Широкое распространение получили новые высокопроизводительные внешние устройства ЭВМ. Все это определило и активное совершенствование программного обеспечения и способов использования компьютеров. Можно с уверенностью утверждать, что реальное зарождение понятия операционной системы связано именно с появлением и совершенствованием архитектуры компьютеров второго поколения.

Этапом в развитии форм использования компьютеров стала пакетная обработка заданий, суть которой состояла в следующем. В компьютере работала специальная управляющая программа, в функции которой входила последовательная загрузка в оперативную память и запуск на выполнение программ из заранее подготовленного пакета программ. Пакет программ физически может быть представлен в виде «большой» стопки перфокарт, в которой программы находятся последовательно. В этом случае управляющая программа по завершении выполнения текущей программы осуществляет чтение очередной программы через устройство считывания перфокарт, загрузку ее в оперативную память и передача управления на фиксированную точку входа в программу (адрес памяти с которого должно начинаться выполнение программы). По завершении программы или после возникновения в программе ошибки, которая вызывает аварийную остановку выполнения программы, управление передается в управляющую программу (Рис. 1.).

1. Пакетная обработка заданий.

Такой процесс продолжался до тех пор, пока все программы из пакета не будут выполнены. Развитие подобных управляющих программ послужило основой появлению первых прообразов операционных систем, которые в разных случаях назывались мониторными системами, супервизорами или диспетчерами.

Следующим этапом развития понятия операционная система стало появление компьютеров второго поколения, имевших аппаратную поддержку режима мультипрограммирования — режима, при котором одновременно находилась в обработке не одна, а несколько программ. При этом в каждый момент времени команды одной из обрабатываемых программ выполнялись процессором, другие выполняли обмен данными с внешними устройствами, третьи были готовы к выполнению процессором и ожидали своей очереди. В СССР представителем машин второго поколения, обеспечивавших поддержку мультипрограммной обработки, была вычислительная машина БЭСМ-6, созданная под руководством академика С.А.Лебедева. Для данного компьютера была разработана серия операционных систем, которые по своей структуре и основным функциям были достаточно близки к современным ОС (НД-69, НД-70, ОС ДУБНА, ДИСПАК, ОС ИПМ и др.). Прародительницей подавляющего большинства этих операционных систем была система под названием Д-68 (Диспетчер–68), разработанная под руководством Л.Н.Королева.