Аппаратные средства компьютера, необходимые для поддержания мультипрограммного режима: 

1. Аппарат защиты памяти.

2. Специальный режим операционной системы. (привилегированный режим или режим супервизора)

3. Аппарат прерываний (как минимум, прерывание по таймеру).

Некоторые проблемы

1. Вложенные обращения к подпрограммам

2. Накладные расходы при смене обрабатываемой программы:

• необходимость включения режима блокировки прерываний;

• программное сохранение / восстановление содержимого регистров при обработке прерываний;

1. Перемещаемость программы по ОЗУ

4. Фрагментация памяти

Регистровые окна

Регистровые окна ( register window )

Пример:

Модель организации регистровой памяти в Intel Itanium

Динамическое» окно – можно заказать окно произвольного размера (от регистра GR32 до регистра GR32+N (N=0,..,95).

Оптимизация работы с физическими регистрами

системный стек

Использование системного стека может частично решать проблему минимизации накладных расходов при смене обрабатываемой программы и/или обработке прерываний.

Виртуальная память

1. базирование адресов

Аппарат виртуальной памяти – аппаратные средства компьютера, обеспечивающие преобразование (установление соответствия) программных адресов, используемых в программе адресам физической памяти в которой размещена программа при выполнении.

Базирование адресов – реализация одной из моделей аппарата виртуальной памяти.

Базирование адресов – средство отображения виртуального адресного пространства программы в физическую память «один в один».

Б азирование памяти решает проблему перемещения, но не решает проблему фрагментации. Для решения проблемы фрагментации используются более развитые механизмы организации ОЗУ и виртуальной памяти

1. страничная память

Память аппаратно разделена на блоки фиксированного размера – страницы. Размер страницы – 2^k.

Структура адреса:

к к-1 0

Количество страниц ограничено размером поля «номер страницы

Преобразование виртуального адреса в физический – замена номера виртуальной страницы на соответствующий номер физической страницы

Виртуальное адресное пространство – множество виртуальных страниц, доступных для использования в программе. Количество виртуальных страниц определяется размером поля «номер виртуальной страницы» в адресе.

Физическое адресное пространство – оперативная память, подключенная к данному компьютеру. Физическая память может иметь произвольный размер (число физических страниц может быть меньше, больше или равно числу виртуальных страниц).

Модельный пример организации

страничной виртуальной памяти.

Лекция 4.Операционная система. Общие характеристики и свойства.

Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающий контроль за существованием, распределением и использованием ресурсов ВС.

Расшифруем:

• существование – логические и виртуальные ресурсы существуют за счет распределения и использования ресурсов ОС;

• распределение – современные ОС всегда многопроцессорные (м.б. многопроцессные?);

• использование – проблема организации контроля за использованием, например, учет времени ЦП.

Процесс – это одно из базовых понятий. Синонимами процесса являются управление задачами, заданиями. Каждая ОС рассматривает некоторую сущность, которую мы называем процессом. Это элементарная единица, которая осуществляет управление ОС. Это совокупность машинных команд и данных, исполняющаяся в рамках ВС и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов.

Важнейшее св-во процесса – набор ресурсов:

• монопольно принадлежащих данному процессу;

• разделяемых (принадлежащих 2м или более процессам).

В настоящее время проблема организации разделяемых ресурсов довольно существенна.

Существуют 2 модели:

1. предварительная декларация необходимых ресурсов (объем памяти, номера виртуальных страниц => запуск процесса);

2. модель динамического дополнения списка ресурсов (запуск процессов, в которых нужен только стартовый объем пакета, а остальное выделяется по необходимости.

Достоинства: Первая модель более строгая, а вторая более гибкая.

В независимости от того, какие функции способна выполнять ОС, она должна удовлетворять пяти основным свойствам:

1. Надежность. ОС должна быть, по меньшей мере, так же надежна, как аппаратура, на которой она работает. В случае возникновении ошибки в программном или аппаратном оборудовании система должна обнаружить эту ошибку и либо попытаться исправить положение, либо, по крайней мере, постараться свести к минимуму ущерб, нанесенный этой ошибкой пользователям.

2. Защита. Имеется в виду защита и персонификация данных пользователей. Этой темы мы коснемся позже.

3. Эффективность. Обычно ОС представляет собой сложную программу, которая использует значительную часть аппаратных ресурсов для своих собственных надобностей. Ресурсы, которые потребляет ОС, не поступают в распоряжение пользователей. Следовательно, сама система должна быть как можно более экономной. Кроме того, система должна управлять ресурсами пользователей так, чтобы добиться максимальной загруженности ресурса в те доли времени, когда ресурс не простаивает (В большей степени это касается загруженности процессора (процессоров)).

4. Предсказуемость. Требования, которые пользователь может предъявить к системе, в большинстве случаев непредсказуемы. В то же время пользователь предпочитает, чтобы обслуживание не очень сильно менялось в течение продолжительного времени. В частном случае, вводя программу в машину, пользователь должен иметь основанное на опыте работы с этой программой приблизительное представление, когда ему ожидать выдачи результатов.

5. Удобства. ОС должна быть гибкой и удобной для пользования. Очевидно, что это свойство сугубо объективно.

Структура ОС.

Ядро (kernel) – резидентная часть ОС, работающая в режиме супервизора. («обычно» работает в режиме физической адресации).

Интерфейсы системных вызовов

(API – Application Program Interface)

||

Динамически подгружаемые драйверы физических и

виртуальных устройств – обращение

к ним не требует сверх аппарата.

||

Ядро ОС – программы обработки прерываний

и драйверы наиболее быстрых устройств.

Автоматически включается режим супервизоров.

«Системный вызов» - обращение к ОС за предоставление той или

иной функции ( возможности, услуги, сервиса).

Описание  стандартная библиотека

программ.

Существует 2 уровня организации ОС:

1. пользовательский, на котором программист пользуется библиотекой через системные вызовы. Реализуется т.н. монолитное ядро – достаточно большой компоновщик, включающий взаимодействие процессоров, драйверы и т.п.

2. микроядерная архитектура, при которой существует микроядро, которое обеспечивает минимальные функции ОС, плюс оно имеет фиксированный набор интерфейсов, которые соотв. Подключению драйверов ОС. Все, что выше микроядра достаточно просто модифицируется.

. . .

. . .

. . .

Микроядро

аппаратура

Логические функции ОС

•управление процессами

суть в функциях ОС, которые обеспечивают образование процесса и его выполнение в рамках ОС.

•

управление ОП

ОС может реализовывать разные стратегии распределения ОП и степени защиты

•планирование

выбор очередности программ для начала обработки, распределение энергии для многопроцессорных устройств, доступ к внешним устр-вам

•управление устройствами и ФС

Планирование.

Будем считать, что рассматриваем нек. Модельную ОС, в которой процесс после его формирования поступает на буфер ввода процесса. За время нахождения в буфере формируются данные и структуры для выполнения. Буфер обрабатываемых процессов внешней памяти, в которой находится программа, обрабатывается в мультипрограммном режиме.

Обобщенный жизненный цикл процесса:

Но это только самые явные этапы планирования.

Типы ОС

Многое определяется стратегиями планирования в данных ОС. С точки зрения типов ОС планирования традиционно выделяют 3 типа:

1. Пакетная ОС

Пакет программ – некоторая совокупность программ, для выполнения каждой из которых требуется «значительное» время работы процессора.

Первоначально на перфокартах, позже в буфере ввода программ.

Переключение выполнения процессов происходит только в одном из случаев:

Выполнение процесса завершено

Возникло прерывание

Был фиксирован факт зацикливания процесса

Примитивная, но крит. эффект – минимизация накладных расходов.

1. Система разделения времени

Базируется на квантировании времени. Квант времени ЦП – некоторый фиксированный ОС промежуток времени работы ЦП.

Переключение выполнения процессов происходит только в одном из случаев:

Исчерпался выделенный квант времени

Выполнение процесса завершено

Возникло прерывание

Был фиксирован факт зацикливания процесса

варьируя размер кванта можно добиться разных результатов.

1. ОС реального времени

Системы реального времени являются специализированными системами, в которых все функции планирования ориентированы на обработку некоторых событий за время, не превосходящее некоторого предельного значение.

Обычно обеспечивают управление техническим оборудованием.

Примером такой организации планирования ЦП может быть следующая схема. Планировщик построен на двухуровневой схеме. Мы считаем, что множество задач может содержать, предположим, счетные задачи и интерактивные задачи. Первый уровень определяет приоритет между двумя классами задач и либо отдает ЦП сначала счетной задаче, либо интерактивной задаче. А второй уровень определяет то, о чем мы говорили перед этим, т.е. как выбрать задачу в пределах одного класса и как ее прервать. Такая смешанная система может работать следующим образом. Первый уровень планирования будет работать по такому принципу: если в данный момент нет ни одной интерактивной задачи, готовой к выполнению (а это вполне реальная ситуация, если пользователи занимаются редактированием текста), то ЦП передается счетным задачам, но добавляется одно условие: как только появляется хотя бы одна интерактивная задача, счетная задача прерывается и управление передается блоку интерактивных задач.

Типы процессов.

«Полновесные процессы » - это процессы, выполняющиеся внутри защищенных участков памяти операционной системы, то есть имеющие собственные виртуальные адресные пространства для статических и динамических данных.

  «Легковесные процессы» - нити - работают в мультипрограммном режиме одновременно с активировавшей их задачей и используют ее виртуальное адресное пространство.

Также процессы можно классифицировать как процессы с однонитевой организацией и с много нитевой.