А.В. Столяров - Введение в операционные системы, страница 7

Ïîêà îòìåòèì, ÷òî ïðîöåññ ìîæíî óïðîùåííîïîíèìàòü êàê ïðîãðàììó, êîòîðàÿ âûïîëíÿåòñÿ (ïîä óïðàâëåíèåì îïåðàöèîííîé ñèñòåìû). Èíà÷å ãîâîðÿ, ïðîöåññ − ýòî êîä âûïîëíÿåìîé ïðîãðàììû,äàííûå, ñîñòîÿíèå (ðåãèñòðû, âêëþ÷àÿ ñ÷åò÷èê êîìàíä), à òàêæå äîñòóïíûåðåñóðñû è ïîëíîìî÷èÿ.Ñòîëü ìíîãîñëîâíîå ïîÿñíåíèå òðåáóåòñÿ, ïîñêîëüêó ñàìà ïî ñåáå ïðîãðàììà−ýòî åùåíå ïðîöåññ; òàê, îäíà è òà æå ïðîãðàììà ìîæåò áûòü çàïóùåíà îäíîâðåìåííî â íåñêîëüêèõýêçåìïëÿðàõ (âîçìîæíî, äàæå ðàçíûìè ïîëüçîâàòåëÿìè ñèñòåìû), è ðå÷ü â ýòîì ñëó÷àå ïîéäåò íå îá îäíîì ïðîöåññå, à î íåñêîëüêèõ.

Áîëåå òîãî, ïðîöåññ äàæå íåëüçÿ òðàêòîâàòü êàêïàðó ïðîãðàììà + ñîñòîÿíèå, ïîñêîëüêó, âîîáùå ãîâîðÿ, äâå çàïóùåííûå êîïèè îäíîé ïðîãðàììû òåîðåòè÷åñêè ìîãóò íàõîäèòüñÿ â ñîâåðøåííî îäèíàêîâîì ñîñòîÿíèè, ÷òî âñå ðàâíîíå ñäåëàåò ýòè êîïèè îäíèì ïðîöåññîì.Ñäåëàåì åùå îäíî âàæíîå çàìå÷àíèå: êàæäûé ïðîöåññ â ñèñòåìå èìååòóíèêàëüíûé èäåíòèôèêàòîð, îáû÷íî ÷èñëî; ñèñòåìà ïîääåðæèâàåò ãëîáàëü26íóþ òàáëèöó ïðîöåññîâ, â êîòîðîé êàæäîìó ñóùåñòâóþùåìó íà òåêóùèé ìîìåíò ïðîöåññó ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííàÿ çàïèñü10 .Îòìåòèì íà âñÿêèé ñëó÷àé, ÷òî ÿäðî íå îáÿçàòåëüíî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîéìîíîëèòíóþ ïðîãðàììó.  íåêîòîðûõ îïåðàöèîííûõ ñèñòåìàõ ÿäðî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàáîð âçàèìîäåéñòâóþùèõ ïðîãðàìì (àðõèòåêòóðû ñ ìèêðîÿäðîìè ýêçîÿäðîì); âî ìíîãèõ ñèñòåìàõ â ÿäðî âî âðåìÿ ðàáîòû ìîæíî äîáàâëÿòüäîïîëíèòåëüíûå ìîäóëè.Íåêîòîðûå ñâîè ÷àñòè ÿäðî ìîæåò îôîðìèòü â âèäå ïðîöåññîâ, ðàáîòàþùèõ íàðàâíå ñ ïîëüçîâàòåëüñêèìè çàäà÷àìè â îãðàíè÷åííîì ðåæèìå.Èçâåñòíî, ñ äðóãîé ñòîðîíû, ÷òî íèêàêîé êîä íèêàêîãî ïîëüçîâàòåëü-ñêîãî ïðîöåññà íè ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ íå ìîæåò áûòü èñïîëíåí âïðèâèëåãèðîâàííîì ðåæèìå ïðîöåññîðà.6.1Ýìóëÿöèÿ ôèçè÷åñêîãî êîìïüþòåðàÏîñêîëüêó ïðè ïîïûòêå âûïîëíåíèÿ ïðîöåññîì íåêîððåêòíîé èíñòðóêöèè (â òîì ÷èñëå è èíñòðóêöèè, îòíîñÿùåéñÿ ê ïðèâèëåãèðîâàííûì) âîçíèêàåò ïðåðûâàíèå, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ÿäðî îïåðàöèîííîé ñèñòåìû ïîëó÷àåò óïðàâëåíèå, îêàçûâàåòñÿ âîçìîæíî ñûìèòèðîâàòü äåéñòâèÿ ôèçè÷åñêîéìàøèíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ó ïðîãðàììû, ðàáîòàþùåé â ðàìêàõ ïîëüçîâàòåëüñêîãî ïðîöåññà, ñîçäàëîñü âïå÷àòëåíèå, ÷òî ýòà ïðîãðàììà ðàáîòàåòâ ïðèâèëåãèðîâàííîì ðåæèìå íà ìàøèíå, íà êîòîðîé íèêîãî êðîìå íåå íåò.Äåéñòâèÿ, êîòîðûå íà ôèçè÷åñêîé ìàøèíå îñóùåñòâëÿë áû ïðîöåññîð â îòâåòíà ïðèâèëåãèðîâàííóþ êîìàíäó, â ðåæèìå ýìóëÿöèè âûïîëíÿþò îáðàáîò÷èêèïðåðûâàíèé ïî íåêîððåêòíîé èíñòðóêöèè è íàðóøåíèþ çàùèòû ïàìÿòè. ðåæèìå òàêîé ýìóëÿöèè ìîæíî çàïóñòèòü â âèäå ïîëüçîâàòåëüñêîãî ïðîöåññà ÿäðî äðóãîé îïåðàöèîííîé ñèñòåìû èëè äàæå âòîðîé ýêçåìïëÿð òîé æåñàìîé.Âïåðâûå òàêàÿ ýìóëÿöèÿ áûëà ðåàëèçîâàíà íà IBM/360 îïåðàöèîííîé ñèñòåìîé VM/360.

Ïîä VM/360 ìîæíî áûëî çàïóñòèòü íåñêîëüêî îïåðàöèîííûõñèñòåì OS/360, ïðè÷åì êàæäàÿ èç íèõ áûëà óâåðåíà, ÷òî êîìïüþòåð IBM/360íàõîäèòñÿ â åå ïîëíîì ðàñïîðÿæåíèè. Áîëåå òîãî, ïîä VM/360 ìîæíî áûëîçàãðóçèòü â ðåæèìå ýìóëÿöèè åå ñàìó.10 ×èòàòåëüìîæåò çàìåòèòü, ÷òî ðàíåå ìû èñïîëüçîâàëè òåðìèí çàäà÷à. Äåéñòâèòåëüíî, ìû èçáåãàëèóïîòðåáëåíèÿ ñëîâà ïðîöåññ äî òîãî, êàê ñòàëè èçâåñòíû õîòÿ áû îñíîâíûå ñâîéñòâà ýòîãî ïîíÿòèÿ,ïîëàãàÿ ïðè ýòîì ñëîâî çàäà÷à èíòóèòèâíî ïîíÿòíûì.27ДИСКИстоимостьОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬскоростьКЭШобъемРЕГИСТРЫЛЕНТЫÐèñ. 6: Èåðàðõèÿ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâËåêöèÿ 37Èåðàðõèÿ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâÈíôîðìàöèÿ â âû÷èñëèòåëüíîé ñèñòåìå ìîæåò çàïîìèíàòüñÿ è õðàíèòüñÿ óñòðîéñòâàìè ðàçëè÷íîãî òèïà â çàâèñèìîñòè îò òîãî, íàñêîëüêî îïåðàòèâíûì äîëæåí áûòü äîñòóï ê äàííîé èíôîðìàöèè, íàñêîëüêî äîëãîâðåìåííûì äîëæíî áûòü åå õðàíåíèå è êàêîâ åå îáúåì. Èåðàðõèÿ çàïîìèíàþùèõóñòðîéñòâ ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíà íà ðèñ.

6.Íàèáîëåå îïåðàòèâíî äîñòóïíà èíôîðìàöèÿ â ðåãèñòðàõ öåíòðàëüíîãîïðîöåññîðà. Îäíàêî îáúåì ðåãèñòðîâîé ïàìÿòè çàäàåòñÿ ðàç è íàâñåãäà ïðèïðîåêòèðîâàíèè ïðîöåññîðà è óâåëè÷åí áûòü íå ìîæåò; ïðè ýòîì îáúåì ðåãèñòðîâîé ïàìÿòè îãðàíè÷åí, ò.ê. êàæäûé íîâûé ðåãèñòð ÖÏ óâåëè÷èâàåòñëîæíîñòü ñõåìû ÖÏ, òðåáóåò ââåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ èíñòðóêöèé è â öåëîì ìîæåò ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü ñòîèìîñòü ïðîöåññîðà.Êýø-ïàìÿòü ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ óâåëè÷åíèÿ ñêîðîñòè äîñòóïà ê äàííûì,íàõîäÿùèìñÿ â îïåðàòèâíîé ïàìÿòè. Ðàçëè÷àþò êýø ïåðâîãî óðîâíÿ, ôèçè÷åñêè ðåàëèçîâàííûé íà îäíîé ìèêðîñõåìå ñ ÖÏ, è êýø âòîðîãî óðîâíÿ, ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé îòäåëüíûé êîíñòðóêòèâ, ñâÿçàííûé ñ ïðîöåññîðîì íåïîñðåäñòâåííî (áåç èñïîëüçîâàíèÿ îáùåé øèíû).  êýø-ïàìÿòè äóáëèðóþòñÿäàííûå èç îïåðàòèâíîé ïàìÿòè, íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóþùèåñÿ âûïîëíÿþùåéñÿ ïðîãðàììîé.

Ñêîðîñòü äîñòóïà ê êýøó ñóùåñòâåííî âûøå, ÷åì ê îïåðàòèâíîé ïàìÿòè, îäíàêî ñàì êýø èìååò äîñòàòî÷íî ñëîæíîå óñòðîéñòâî, îáúåìåãî îãðàíè÷åí, à ñòîèìîñòü ãîðàçäî âûøå, ÷åì ó îïåðàòèâíîé ïàìÿòè òàêîãîæå îáúåìà.28Îïåðàòèâíàÿ ïàìÿòü1 ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì õðàíèëèùåì ïðîãðàìì è äàííûõ, íàõîäÿùèõñÿ â íåïîñðåäñòâåííîé îáðàáîòêå. Îáúåì îïåðàòèâíîé ïàìÿòèìîæåò áûòü ñðàâíèòåëüíî áîëüøèì, à ñòîèìîñòü åå â ïîñëåäíèå ãîäû ñíèçèëàñü. Òåì íå ìåíåå, åå îáúåìà ìîæåò íå õâàòèòü. Êðîìå òîãî, ñîäåðæèìîåîïåðàòèâíîé ïàìÿòè, êýøà è ðåãèñòðîâ òåðÿåòñÿ ñ âûêëþ÷åíèåì êîìïüþòåðà, òàê ÷òî äëÿ äîëãîâðåìåííîãî õðàíåíèÿ äàííûõ ýòè âèäû çàïîìèíàþùèõóñòðîéñòâ íåïðèãîäíû.Íà ñëåäóþùåì óðîâíåì èåðàðõèè íàõîäÿòñÿ ìàãíèòíûå äèñêè èëè, ãîâîðÿ â-îáùåì, óñòðîéñòâà äîëãîâðåìåííîãî õðàíåíèÿ, ïîçâîëÿþùèå ïðîèçâîäèòü äîñòóï ê äàííûì â ïðîèçâîëüíîì ïîðÿäêå.

Êðîìå ñîáñòâåííî ìàãíèòíûõ äèñêîâ, ê óñòðîéñòâàì òàêîãî êëàññà îòíîñÿòñÿ, íàïðèìåð, íàêîïèòåëèíà ash-êàðòàõ. Íûíå âûøåäøèå èç óïîòðåáëåíèÿ ìàãíèòíûå áàðàáàíû òàêæåîòíîñèëèñü ê ýòîìó êëàññó. Îáúåì òàêèõ óñòðîéñòâ ìîæåò áûòü íà ïîðÿäêèáîëüøå, ÷åì îáúåì ÎÇÓ, à ñòîèìîñòü − ñóùåñòâåííî íèæå. Êðîìå òîãî, ñîõðàíåííàÿ íà äèñêàõ èíôîðìàöèÿ íå òåðÿåòñÿ ïðè âûêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ è ìîæåòõðàíèòüñÿ äîëãîå âðåìÿ. Îäíàêî äëÿ äîñòóïà ê äèñêàì òðåáóþòñÿ ìåäëåííûå(â ñðàâíåíèè ñî ñêîðîñòüþ ïðîöåññîðà è ÎÇÓ) îïåðàöèè ââîäà-âûâîäà; áîëååòîãî, ïðîöåññîð íå â ñîñòîÿíèè íåïîñðåäñòâåííî îáðàùàòüñÿ ê äèñêàì, òàê ÷òîäàííûå äëÿ èõ èñïîëüçîâàíèÿ äîëæíû áûòü ïðåäâàðèòåëüíî ñêîïèðîâàíû âîïåðàòèâíóþ ïàìÿòü.Ñðîê õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè íà äèñêàõ ìîæåò ñîñòàâëÿòü ãîäû, íî îí âñåæå îãðàíè÷åí.

Äëÿ íóæä àðõèâèðîâàíèÿ ïðèìåíÿþò íàêîïèòåëè íà ìàãíèòíûõ ëåíòàõ (ñòðèììåðû). Ëåíòû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñàìûé íàäåæíûé, äîëãîâðåìåííûé è äåøåâûé ñïîñîá õðàíåíèÿ äàííûõ. Íåäîñòàòîê ëåíò ñîñòîèò âíåâîçìîæíîñòè äîñòóïà ê áëîêàì äàííûõ â ïðîèçâîëüíîì ïîðÿäêå. Êàê ïðàâèëî, äàííûå ñ ëåíò ïåðåä èñïîëüçîâàíèåì êîïèðóþò íà äèñêè.8Óïðàâëåíèå îïåðàòèâíîé ïàìÿòüþÐåãèñòðîâàÿ ïàìÿòü íàõîäèòñÿ ïîä íåïîñðåäñòâåííûì êîíòðîëåì ïðîãðàììèñòà.

Êýø-ïàìÿòü êîíòðîëèðóåòñÿ ïðîöåññîðîì àâòîìàòè÷åñêè; ïðîãðàììèñò ìîæåò íå ïðèíèìàòü âî âíèìàíèå åå ñóùåñòâîâàíèå.×òî êàñàåòñÿ îïåðàòèâíîé ïàìÿòè, òî ðàñïðåäåëåíèå è óïðàâëåíèå åþ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç âàæíåéøèõ çàäà÷ îïåðàöèîííîé ñèñòåìû. Ïîïûòàåìñÿ ðàññìîòðåòü ýòó ïðîáëåìíóþ îáëàñòü. Âîïðîñû óïðàâëåíèÿ âíåøíèìè óñòðîéñòâàìè áóäóò ðàññìàòðèâàòüñÿ íà ñëåäóþùèõ ëåêöèÿõ.1 Ìîæíîòàêæå âñòðåòèòü òåðìèíû îñíîâíàÿ ïàìÿòü è îïåðàòèâíîå çàïîìèíàþùåå óñòðîéñòâî (ÎÇÓ).

 àíãëîÿçû÷íîé ëèòåðàòóðå èñïîëüçóåòñÿ òåðìèí RAM (Random Access Memory), êîòîðûéìîæíî ïåðåâåñòè êàê ïàìÿòü ïðîèçâîëüíîãî äîñòóïà.29111111000000300000011111100000011111100000011111100000011111120000001111110000001111110000001111110000001111110000001111111000000111111000000111111ОС0000001111110000001111111111110000003000000111111111111000000300000011111111111100000000000011111140000001111110000001111110000001111110000001111111000000111111000000111111ОС0000001111110000001111111111110000000000001111114000000111111000000111111111111000000 0000001111110000001111115000000111111000000111111000000111111ОС000000111111000000111111Ðèñ.

7: Âîçíèêíîâåíèå ôðàãìåíòàöèè ïàìÿòè8.1Ïðîáëåìû, ðåøàåìûå ìåíåäæåðîì ïàìÿòèÏåðå÷èñëèì ïðîáëåìû, ñ êîòîðûìè ñòàëêèâàåòñÿ îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìàïðè óïðàâëåíèè ïàìÿòüþ.1. Çàùèòà ïðîöåññîâ äðóã îò äðóãà è îïåðàöèîííîé ñèñòåìû îò ïðîöåññîâ. Óïðàâëåíèå àïïàðàòíîé çàùèòîé ïàìÿòè. Êàê óæå ãîâîðèëîñü,â ìóëüòèçàäà÷íîé ñèñòåìå íåîáõîäèìû àïïàðàòíûå ìåõàíèçìû çàùèòûïàìÿòè. Óïðàâëåíèå èìè, âêëþ÷àÿ âûäåëåíèå ïàìÿòè ïðîöåññàì, âîçëàãàåòñÿ íà îïåðàöèîííóþ ñèñòåìó.2. Íåäîñòàòîê îáúåìà îïåðàòèâíîé ïàìÿòè. Îáúåìà îïåðàòèâíîé ïàìÿòè ìîæåò íå õâàòèòü äëÿ ðàçìåùåíèÿ ÿäðà è âñåõ ïðîöåññîâ; â ýòîìñëó÷àå ñîâðåìåííûå îïåðàöèîííûå ñèñòåìû âûñâîáîæäàþò ôèçè÷åñêóþïàìÿòü, ñáðàñûâàÿ (îòêà÷èâàÿ) äàâíî íå èñïîëüçîâàâøèåñÿ äàííûå íàäèñê.3.

Äóáëèðîâàíèå äàííûõ. Äóáëèðîâàíèå ìîæåò âîçíèêíóòü, íàïðèìåð, ïðèçàïóñêå íåñêîëüêèõ êîïèé îäíîé è òîé æå ïðîãðàììû: õîòÿ ïðè ýòîì èõäàííûå ìîãóò ðàçëè÷àòüñÿ, ñåãìåíòû êîäà áóäóò ñîäåðæàòü â òî÷íîñòèîäíî è òî æå. Åñòåñòâåííî, òàêîãî äóáëèðîâàíèÿ æåëàòåëüíî èçáåãàòü.4. Ïåðåìåùåíèå êîäà. Êîä ïðîãðàìì ìîæåò áûòü ïðèâÿçàí ê êîíêðåòíûìçíà÷åíèÿì àäðåñîâ ïàìÿòè, â êîòîðûå çàãðóæàåòñÿ ïðîãðàììà (íàïðèìåð, êîä ìîæåò èñïîëüçîâàòü ïåðåõîäû ïî àáñîëþòíûì àäðåñàì). Âìåñòåñ òåì, â ìóëüòèçàäà÷íîé ñèòóàöèè, âîîáùå ãîâîðÿ, íåèçâåñòíî, â êàêîåêîíêðåòíî ìåñòî ôèçè÷åñêîé ïàìÿòè ïðèäåòñÿ çàãðóæàòü êîíêðåòíóþ30ïðîãðàììó; åñëè ïðèâÿçàòü åå ê ôèçè÷åñêèì àäðåñàì, èìåííî ýòî ìåñòîâ ïàìÿòè ìîæåò îêàçàòüñÿ çàíÿòî äðóãîé ïðîãðàììîé.5. Ôðàãìåíòàöèÿ. Ïðè ïîñòîÿííîì âûäåëåíèè è îñâîáîæäåíèè áëîêîâ ïàìÿòè ðàçíîãî ðàçìåðà ìîæåò âîçíèêíóòü ñèòóàöèÿ, ïðè êîòîðîé î÷åðåäíîé áëîê íå ìîæåò áûòü âûäåëåí, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî îáùåå êîëè÷åñòâîñâîáîäíîé ïàìÿòè ïðåâûøàåò åãî ðàçìåð.

Ïðèìåð òàêîé ñèòóàöèè ïîêàçàí íà ðèñ. 7.  íåêîòîðûé ìîìåíò ìû íå ìîæåì ðàçìåñòèòü â ïàìÿòè çàäà÷ó 5, ïîòîìó ÷òî íåò ïîäõîäÿùåãî ñâîáîäíîãî áëîêà àäðåñîâ,íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî îáùåå êîëè÷åñòâî ñâîáîäíîé ïàìÿòè ïðåâûøàåò ðàçìåð íîâîé çàäà÷è. Ñ ïðîáëåìîé ôðàãìåíòàöèè íåïîñðåäñòâåííî ñâÿçàíàïðîáëåìà óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðîâ ñóùåñòâóþùåé çàäà÷è â ñëó÷àå, åñëè åéïîòðåáîâàëàñü äîïîëíèòåëüíàÿ ïàìÿòü: ìîæåò îêàçàòüñÿ, ÷òî ïàìÿòü çàâåðõíåé ãðàíèöåé çàäà÷è çàíÿòà è ðàñøèðÿòü åå íåêóäà.Çàìåòèì, ÷òî áîëüøèíñòâî ïåðå÷èñëåííûõ ïðîáëåì âîçíèêàåò ëèøü âìóëüòèçàäà÷íîé ñèòóàöèè.