Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Конспект по курсу «Операционные системы»

За III семестр 2004-2005 учебного года

Мамкиной Натальи 202 группы

и Стрелковой Натальи 201 группы.

Лектор Машечкин И.В.

1. Введение 4

1.1. Этапы развития вычислительной техники 4

Первое поколение компьютеров. 4

Второе поколение компьютеров. 5

Третье поколение компьютеров. 5

Компьютеры четвертого и пятого поколений. 5

1.2. Основы архитектуры вычислительной системы 5

Аппаратные средства ЭВМ. 6

Управление физическими ресурсами ВС. 6

Управление логическими/виртуальными ресурсами. 7

Системы программирования. 8

1.2. Основы компьютерной архитектуры 13

Оперативное запоминающее устройство 13

Центральный процессор 15

Внешние устройства 18

Организация потоков данных при обмене с внешними устройствами 19

Модели синхронизации при обмене с внешними устройствами 20

Организация управления внешними устройствами 20

Иерархия памяти 21

Аппаратная поддержка ОС и систем программирования 21

Некоторые проблемы 22

Регистровые окна (register window) 23

Системный стек 24

Виртуальная память. 24

1.4. Операционная система 26

Логические функции ОС 29

Типы операционных систем 29

ОС многомашинных и многопроцессорных ассоциаций 30

2. Управление процессами 31

2.1. Основные концепции 31

Жизненный цикл процесса 31

Модельная ОС 32

Типы процессов. 33

Понятие «процесс». 33

Контекст процесса. 33

Процессы в ОС UNIX. 34

Понятие процесса в UNIX 34

Базовые средства организации и управления процессами 35

Жизненный цикл процессов в ОС UNIX 41

Формирование процессов 0 и 1 42

Планирование 43

Основные задачи планирования 43

Планирование очереди процессов на начало обработки 43

Планирование распределения времени ЦП между процессами 43

Планирование в системах реального времени(СРВ). 46

Планирование в ОС UNIX 47

Планирование в Windows NT. 48

Планирование свопинга в ОС Unix 49

Планирование обработки прерываний 49

Планирование обработки прерываний в Windows NT 50

2.3. Взаимодействие процессов: синхронизация, тупики 51

Параллельные процессы 51

Разделение ресурсов 51

Важнейшие задачи 51

Требование мультипрограммирования 52

Взаимное исключение 52

Проблемы организации взаимного исключения 53

Способы реализации взаимного исключения 53

Семафоры Дейкстры 53

Мониторы 54

Обмен сообщениями 55

Классические задачи синхронизации процессов 56

«Обедающие философы» 56

Задача «читателей и писателей» 58

Задача о «спящем парикмахере» 59

3. Реализация взаимодействия процессов 60

Сигналы 61

Схема: 61

Работа с сигналом 62

Примеры: 62

Неименованные каналы. 64

Отличительные свойства. 64

Особенности организации чтения из канала и записи в канал: 65

Пример использования канала: 65

Схема взаимодействия процессов с использованием канала. 66

Именованные каналы. 69

Пример: 69

Межпроцессное взаимодействие, проводимое по модели «главный-подчинённый». 70

Системный вызов ptrace() 70

Пример. 72

Система межпроцессного взаимодействия IPC. 73

Общие концепции 73

IPC: очередь сообщений. 75

IPC: разделяемая память. 80

IPC: массив семафоров. 82

Механизм сокетов 86

Средства взаимодействия процессов в сети 87

Сокеты с предварительным установлением соединения. Запрос на соединение 89

Схема работы с сокетами с установлением соединения 92

Схема работы с сокетами без установления соединения 93

Пример. Работа с локальными сокетами 93

4. Файловые системы (ФС) 97

Структурная организация файлов 97

Методы подхода к организации ФС. 97

Атрибуты файла 98

Основные правила работы с файлами 98

«Сеанс работы» с содержимым файла: 98

Типовые программные интерфейсы работы с файлами 99

Организация информации о файлах. 99

Модельная организация каталогов файловых систем 99

Подходы в практической реализации файловой системы 100

Модели реализации файлов 100

Модели организации каталогов 102

Взаимнооднозначное соответствие: имя файла – содержимое файла 103

Координация использования пространства внешней памяти 103

Учет свободных блоков файловой системы 104

Надежность файловой системы 105

Резервное копирование 105

Проверка целостности файловой системы 106

5. ОС Unix: файловая система 107

Организация ФС Unix. Виды файлов 107

Права доступа 108

Логическая структура каталогов 108

Внутренняя организация ФС 109

Модель версии System V 109

Работа с массивом свободных ИД 109

Модель версии FFS BSD 112

NFS – сетевая файловая система 114

6. Управление внешними устройствами. 114

Архитектура. 114

Программное управление внешними устройствами 115

Буферизация обмена 115

Планирование дисковых обменов 116

RAID системы. 117

OC Unix: Работа с внешними устройствами 120

Файлы устройств, драйверы 120

Организация обмена данными с файлами 120

7. Управление оперативной памятью (ОП) 122

Распределения: 123

Одиночное непрерывное распределение 123

Распределение неперемещаемыми разделами 123

Распределение перемещаемыми разделами 124

Таблицы страниц 126

TLB (Translation Lookaside Buffer) 126

Иерархическая организация таблицы страниц 126

Использование хэштаблиц 127

Инвертированные таблицы страниц 128

Замещение страниц 128

Сегментная организация памяти 130

8. Многомашинные, многопроцессорные ассоциации. 130

Терминальные комплексы. 132

Состав терминального комплекса 132

Линии связи / каналы 132

Соответствие приёмников и передатчиков (все остальные каналы) 133

Компьютерные сети 133

Характеристики сети: 133

Организация сетевого взаимодействия 135

Модель организации взаимодействия в сети ISO/OSI 135

Основные понятия 136

Логическое взаимодействие сетевых устройств по i-ому протоколу 136

Семейство протоколов TCP/IP 136

Дейтаграммы 138

Этот курс не о Windows, не о Linux, не о Free BSD и пр. Этот курс о классических схемах построения операционных систем. При этом примеры будут приводиться на Windows, Unix.

Курс сопровождается семинарскими занятиями, где надо будет освоить язык программирования Си. Программирование на Си будет принципиально отличаться от того, что мы изучали на первом курсе – это будет мультипроцессное программирование в ОС на базе Unix.

1. Введение

1.1. Этапы развития вычислительной техники

Первое поколение компьютеров.

Одной из первых электронных вычислительных машин (ЭВМ

) считается ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), в качестве элементарной базы которого были электронно-вакуумные лампы

. ЭВМ состояла из процессора, оперативной памяти и примитивных устройств ввода/вывода. Устройствами ввода/вывода служили перфоленты и перфокарты. На них определенным образом выдалбливались отверстия.

Первым компьютерам свойственны однопользовательский режим, зарождение класса управляющих программ и языков программирования.

Второе поколение компьютеров.

Электронно-вакуумные лампы заменили полупроводниковыми приборами – диодами и транзисторами.

В компьютере появилась специальная управляющая программа, которая отправляла в ОЗУ заранее приготовленные пакеты со строками программ и передавала управление программе. В системе одновременно могло находиться несколько программ. Т.о., в компьютерах второго поколения появились пакетная обработка данных и мультипрограммирование. Развитие мультипрограммных систем привело к идее создания дружественных интерфейсов. Стали появляться новые языки программирования. Если всё началось с машинных кодов, продолжилось ассемблером, то заканчивалось уже на языках высокого уровня и проблемно-ориентированных языках высокого уровня.

Также возникли файловые системы, систематизировавшие и упростившие работу и способы хранения файлов.

Появилось понятие виртуального устройства.

Третье поколение компьютеров.

Элементарная база – интегральные схемы.

Компьютеры еще были дорогими, при этом не дешевле было и программное обеспечение к ним. Эти проблемы стали разрешимы после появления такого полезного свойства, как унификация интерфейсной части (возможности апгрейда) компьютера, а также то, что ПО, разработанное для низших моделей, работало и на старших.

Т.к. появилось разнообразие в устройствах, то трудно было вместить в одну систему информацию о работе со всеми ними. Тогда появились драйверы – программы, управляющие устройствами. По сути драйвер является связующим звеном между устройством и программой пользователя. Для каждого устройства драйвер индивидуален, их можно написать сколь угодно много версий, но каждому драйверу, как правило, соответствует только одно устройство.

Появилась операционная система Unix, позволяющая работать с машиной в диалоговом режиме. Эта ОС на 90% написана на языке программирования Си, остальная часть включает в себя вставки на Ассемблере. Язык Си тоже относится к языкам низкого уровня, но он гораздо удобнее для программирования, чем Ассемблер, и обладает большими возможностями.

Unix – это ОС с открытым кодом, что позволило легко вносить изменения, если это необходимо. Это большой «плюс».

Компьютеры четвертого и пятого поколений.

В ЭВМ стали использоваться большие и сверхбольшие интегральные схемы.

Устройство новых компьютеров стало таковым, что даже новичку не надо больших усилий, чтобы заменять/включать/выключать аппаратные части. Так же появились ОС и ПО, тоже разработанные для рядового пользователя. Это получило название «дружественности» аппаратного и программного пользовательских интерфейсов.

Появились и сильно продвинулись вперед сетевые технологии, а их появление привело к проблемам с защитой информации, что повлекло за собой развитие систем безопасности хранения и передачи данных.

1.2. Основы архитектуры вычислительной системы

Вычислительная система - совокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенного класса.

Структура вычислительной системы:

При этом также используются межуровневые интерфейсы. Например, между аппаратными средствами и драйверами, управляющими физическими ресурсами есть еще система команд.

Аппаратные средства ЭВМ.

Аппаратная часть определяется набором аппаратных компонентов, используемых компонентами вышестоящих уровней. Она представляет из себя физические ресурсы (устройства): процессор, ОЗУ, дисковая система. Но к ним не относятся такие как корпус, провода и т.п., потому что они не оказывают влияния на вышестоящие уровни.

Каждому физическому ресурсу обычно соответствует ряд характеристик:

• правила программного использования

(например, система команд процессора, для внешних устройств – это сигналы управления, для ОЗУ – правила доступа, использования)

• производительность и/или емкость

(для процессора – тактовая частота, для внешних запоминающих устройств – объем памяти и скорость доступа)

• степень используемости

(того или иного ресурса в системе: для процессора – время, затраченное им для выполнения той или иной программы, для ОЗУ – объем занятой памяти, для линий связи – загруженность линий. Данные характеристики зависят от многих факторов, для одного и того же устройства степень используемости может быть разная.)

Средства программирования, доступные на аппаратном уровне:

• система команд компьютера;

• аппаратные интерфейсы программного взаимодействия с физическими ресурсами.

Управление физическими ресурсами ВС.

(систематизация и стандартизация правил программного использования физических ресурсов)

Это первый программный уровень. Ранее программисту приходилось писать на ассемблере сразу всё: и управление устройствами, и свою прикладную часть – решение задачи. Теперь от пользователя скрываются детали управления устройством – этим стали заниматься драйверы.

Д
райвер физического устройства – программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. (См.п.1.1.) Разные драйверы для одного устройства могут работать с ним по-разному (предоставлять определенный интерфейс):

На картинке примерно показано, как для некоего устройства хранения данных разные драйвера делят дорожку для записи: один делит ее на одинаковые блоки и пишет информацию в них, а другой - записывая, ставит маркеры начала и конца записи.

«Плюсы» такого управления:

+ стандартизация работы с устройствами

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций