2011. Машбук (1114722), страница 27

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

Текст из файла (страница 27)

Чтокасается недостатков, то они непосредственно связаны с достоинствами и проявляются взначительном возрастании накладных расходов. Положим, процесс обращается кфайловой системе, чтобы произвести обмен с конкретным файлом посредствомсоответствующего системного вызова. Драйвер файловой системы, получив запрос отпроцесса, перерабатывает его в последовательность запросов на обмен с диском (пусть,сначала это будут виртуальный диск). После чего файловая система обращается кмикроядру, которое, в свою очередь, находит драйвер виртуального диска и передает емусоответствующий запрос.

Драйвер виртуального диска определяет, с каким физическимдиском будет происходить обмен, и трансформирует поступивший ему запрос в запросы кэтому физическому диску, которые ему и передаются по той же схеме. Таким образом,один запрос распадается на множество подзапросов, следующих от драйвера черезмикроядро к другому драйверу, из-за чего эффективность системы снижается.Напоследок отметим, что в реальности используются системы, получаемыекомбинацией указанных подходов.931.3.2 Логические функции ОСФункциональность ОС можно представить в виде объединения некоторогофиксированного количества блоков функций.

Состав этого набора варьирует от системы ксистеме, но в большинстве случаев можно выделить следующие функции: управлениепроцессами, управление оперативной памятью, планирование и, наконец, управлениеданными, файловой системой и устройствами, а также в последнее время сталидобавлять блок функциональности сетевого взаимодействия.Функция управления процессами охватывает проблемы формирования процессов,поддержания жизненного цикла процесса, проблемы организации взаимодействияпроцессов (т.е.

организацию взаимодействия процесса с системой в целом и с другимипроцессами в частности) и работы процессов с ресурсами. Функция управленияпроцессами является ключевой для всех операционных систем.Функция управления оперативной памятью во многом определяется тойаппаратурой, на которой реализуется ОС.

С точки зрения программной составляющей,управление ОП включает компоненты, связанные с выбором стратегии организации ОП (вчастности, реализуется поддержка аппарата виртуальной памяти), решает задачи защитыОП от несанкционированного доступа, задачи корректности работы процесса свыделенной ему ОП. Некоторые из задач управления ОП пересекаются с функциямипланирования (например, задачи выделения и изъятия памяти у процессов).Функция планирования во многом определяет базовые характеристики ОС. Ранееговорилось, что в системе практически всегда возникает ситуация конкуренции заобладание теми или иными ресурсами. При этом сразу же возникает задача регламентациидоступа конкурирующих процессов к ресурсам (т.е.

задача обработки очередей запросов кресурсам). Классическая задача планирования – распределение времени центральногопроцессора (т.е. планирование доступа процессов к центральному процессору). Ещё одназадача планирования – организация и обработка очередей обмена. В процессефункционирования системы формируется поток запросов на обмен, и очень часто этотпоток может превышать пропускную способность устройства, то есть образуетсяконкуренция по доступу к устройству — выстраивается очередь запросов на обмен.Возникает проблема планирования очередей обмена. При этом необходимо учитыватьприоритетность при обработке категорий запросов, которые идут от ОС и которые идут отпользователей. Следующая задача планирования – обработка прерываний.

При обработкепрерываний также есть приоритетность, так как прерывание иногда требует достаточнобольших ресурсов системы и может возникать очередь прерываний.Следующая функция ОС - управление устройствами и файловой системой.Здесь рассматривается управление внешними устройствами, и файловая системарассматривается как виртуальное устройство, которое является достаточно значимым дляоперационной системы. Эту функцию можно разделить на управление устройствами,которые не требуют оперативного доступа, и управление устройствами, которые требуютоперативный доступ (которые могут содержать важную информацию и которые должныобеспечивать надёжность сохранения этой информации). Организация управлениявнешними устройствами должна осуществляться надёжно и эффективно. Это достигаетсяпосредством многоуровневой буферизации запросов к внешним устройствам,использованием достаточно сложных схем обеспечения надёжности обменов с внешнимиустройствами (например, программные средства дублирования) и т.д.Следующая функция – обеспечение сетевого взаимодействия.

Практическилюбая современная ОС должна иметь средства взаимодействия с другими компьютерамив сети, то есть ОС должна обеспечивать функционирование и реализацию сетевыхпротоколов. При этом заметим, что не обязательно весь реализованный в системе стекпротоколов должен являться компонентом ОС.94Следующая очень важная функция – функция обеспечения безопасности. Историявозникновения проблемы компьютерной безопасности связана с появлениеммногопользовательских вычислительных систем, а именно, прежде всего, необходимобыло обеспечить, чтобы один зарегистрированный в системе не мог добраться доинформации другого зарегистрированного в системе пользователя и чтобынезарегистрированный пользователь не мог получить доступ к системе. Развитие сетевоговзаимодействия существенно усложнило проблему безопасности, так как из-за концепцииоткрытых интерфейсов (ISO/OSI, TCP/IP) у компьютера появилось множество логических«входов», через которые программы других компьютеров могут связываться с данным.Появилось понятие компьютерной атаки на сетевое устройство с целью нарушениязащиты (либо с целью несанкционированного доступа к данным, либо с целью нарушенияфункциональности устройства).

То есть функция безопасности должна обеспечивать, вопервых, устойчивость системы к возможным атакам, а, во-вторых, анализфункционирования системы и выявление попыток вторжения в систему (это также важно,поскольку очень редко, когда взлом происходит сразу). Это очень сложная проблема,которая до настоящего момента является открытой. Следующий аспект обеспечениябезопасности – это минимизация ущерба в случае вторжения.1.3.3 Типы операционных системОперационные системы можно классифицировать с точки зрения критериевэффективности и стратегий использования центрального процессора. Можно выделитьтри основных класса операционных систем: пакетные операционные системы, системыразделения времени и системы реального времени.

Остановимся на каждой из нихпоподробнее.Пакетная операционная система — это система, критерием эффективностифункционирования которой является максимальная загрузка центрального процессора(т.е. минимизация накладных расходов). Иными словами, отношение всего времениработы процессора ко времени исполнения пользовательских программ должно бытьблизко к единице. Традиционно пакетные системы предназначались для решениярасчетных задач, т.е. задач, требующих определенного объема времени работыпроцессора. Как следует из названия, эти системы оперируют термином пакет программ.Пакет программ — это некоторая совокупность программ, которые системенеобходимо обработать.

Особенность пакетных систем прослеживается в стратегиипереключения выполнения процессов на процессоре – переключение выполненияпроцессов происходит только по одной из трех причин.Первая причина — завершение выполнения процесса (в силу успешного переходана точку завершения программы или же в силу возникновения ошибки).Вторая причина — обращение к внешнему устройству с целью осуществленияобмена, т.е. возникновение прерывания по вводу-выводу, поскольку операция обмена такили иначе требует какого-то минимального интервала времени.И, наконец, третья причина — фиксация факта зацикливания процесса. В принципеточно определить факт зацикливания программы сложно, но все-таки возможно. Напрактике зачастую под фактом зацикливания считают исчерпание процессорного времени(положим, полтора часа).Очевидно, что переключение процессов в подобных системах происходит лишь понеобходимости, а это означает, что происходит редкое обращение к функции ОС сменыконтекстов обрабатываемых процессов, что ведет к максимальному снижению накладныхрасходов.

В подобных системах степень полезной загрузки процессора составляет от 90%и выше.Следующая модель — система разделения времени. Данная модель можетрассматриваться как развитие модели пакетных систем. В дополнение ко всем свойствампакетных систем необходимо добавить дополнительную характеристику – для каждого95процесса в системе определяется квант процессорного времени, который может бытьединовременно использован процессом. Под квантом времени центрального процессорапонимается некоторый фиксированный операционной системой промежуток времениработы процессора. Соответственно, переключение процессов происходит по тем жепричинам, что и в пакетных системах (завершение процесса, возникновение прерывания,фиксация факта зацикливания), но необходимо добавить еще одну причину — исчерпалсявыделенный квант времени.Критерием эффективности подобных систем служит вовсе не загрузка процессора,а минимизация времени отклика системы на запрос пользователя (положим, еслипользователь набирает текст в текстовом редакторе, то будет важно, чтобы набранные имтолько что символы отображались на экране достаточно быстро, иначе работать ссистемой ему будет неудобно).

Очевидно, что в подобных системах происходит частаясмена контекстов, что связано с большими накладными расходами. В подобных системахэффективность может составлять порядка 30–40%, а, соответственно, 60–70% будутсоставлять накладные расходы.Варьируя размерами кванта времени, можно получать системы для решения техили иных задач. Увеличивая квант времени до некоторого среднего размера (порядканескольких секунд), можно получить пакетную систему, ориентированную на обработкуотладочных программ.

А если увеличить размер кванта до бесконечности, получитсяпакетная система в чистом виде.При организации планирования времени центрального процессора в системахразделения времени необходимо следующее. Во-первых, разделить все процессы нагруппы по некоторым критериям (например, интерактивные, отладочные и т.д.). Вовторых, для каждой из этих групп определить квант времени ЦП, который будетвыделяться процессу из конкретной группы.

В-третьих, решить вопрос справедливойорганизации вычислительного процесса, т.е. определить приоритеты для каждой изкатегорий процессов. При этом в критерии смены обрабатываемого процесса можнодобавить ещё один пункт – появление процесса из более приоритетной группы. Вчетвёртых, приоритеты категорий процессов должны определяться по расписанию(например, в зависимости от времени суток).Еще один класс систем представляют операционные системы реального времени.Это специализированные системы, которые предназначены для функционирования врамках вычислительных систем, обеспечивающих управление и взаимодействие сразличными технологическими процессами. При разработке подобных систем всефункции планирования ориентированы на обработку некоторого фиксированного наборасобытий, при возникновении любого из которых гарантируется обработка этого событияза некоторый промежуток времени, не превосходящий определенного предельногозначения.Для иллюстрации можно привести следующий пример.

Рассмотрим процесскипячения молока. Если емкость с молоком постоянно нагревать, то через некотороевремя оно начинает кипеть, а еще через некоторый достаточно короткий период оно«убегает» (после чего вообще начинает подгорать). Процесс кипячения молока можноавтоматизировать, если в сосуд с молоком поместить датчик температуры, которыйснимает текущее значение температуры молока и передает это значение компьютеру.Соответственно, ставится задача «поймать» момент фиксации температуры кипениямолока, причем среагировать необходимо за некоторый фиксированный промежутоквремени. Если реакция произойдет, положим, через минуту, то молоко «убежит», и,соответственно, польза от такой системы будет минимальной.

Характеристики

Список файлов лекций