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

Текст из файла (страница 4)

Организация страничной памяти

Страничная организация памяти предполагает разделение всего пространства ОЗУ на блоки одинакового размера – страницы. Обычно размер страницы равен 2^k. В этом случае адрес, используемый в данной ЭВМ, будет иметь следующую структуру:

Модельная (упрощенная) схема организации функционирования страничной памяти ЭВМ следующая: Пусть одна система команд ЭВМ позволяет адресовать и использовать m страниц размером 2^k каждая. То есть виртуальное адресное пространство программы/процесса может использовать для адресации команд и данных до m страниц.

Физическое адресное пространство, в общем случае может иметь произвольное число физических страниц (их может быть больше m, а может быть и меньше). Соответственно структура исполнительного физического адреса будет отличаться от структуры исполнительного виртуального адреса за счет размера поля ”номер страницы”.

В виртуальном адресе размер поля определяется максимальным числом виртуальных страниц – m.

В физическом адресе – максимально возможным количеством физических страниц, которые могут быть подключены к данной ЭВМ (это также фиксированная аппаратная характеристика ЭВМ).

В ЦП ЭВМ имеется аппаратная таблица страниц (иногда таблица приписки) следующей структуры:

Таблица содержит m строк. Содержимое таблицы определяет соответствие виртуальной памяти физической для выполняющейся в данный момент программы/процесса. Соответствие определяется следующим образом: i-я строка таблицы соответствует i-й виртуальной странице.

Содержимое строки α_i определяет, чему соответствует i-я виртуальная страница программы/процесса. Если α_i ≥ 0, то это означает, что α_i есть номер физической страницы, которая соответствует виртуальной странице программы/процесса. Если α_i= -1, то это означает, что для i-й виртуальной страницы нет соответствия физической странице ОЗУ (обработка этой ситуации ниже).

Итак, рассмотрим последовательность действий при использовании аппарата виртуальной страничной памяти.

1. При выполнении очередной команды схемы управления ЦП вычисляют некоторый адрес операнда (операндов) A_исп. Это виртуальный исполнительный адрес.

2. Из A_исп. Выделяются значимые поля номер страницы (номер виртуальной страницы). По этому значению происходит индексация и доступ к соответствующей строке таблицы страниц.

3. Если значение строки ≥ 0, то происходит замена содержимого поля номер страницы на соответствующее значение строки таблицы, таким образом, получается физический адрес. И далее ЦП осуществляет работу с физическим адресом.

4. Если значение строки таблицы равно –1 это означает, что полученный виртуальный адрес не размещен в ОЗУ. Причины такой ситуации? Их две. Первая – данная виртуальная страница отсутствует в перечне станиц, доступных для программы/процесса, то есть имеет место попытка обращения в “ чужую”, не легитимную память. Вторая ситуация, когда операционная система в целях оптимизации использования ОЗУ, откачала некоторые страницы программы/процесса в ВЗУ(свопинг, при действиях ОС при свопинге позднее). Что происходит в системе, если значение строки таблицы страниц –1, и мы обратились к этой строке? Происходит прерывание “ защита памяти”, управление передается операционной системе (по стандартной схеме обработки прерывания и далее происходит программная обработка ситуации (обращаем внимание, что все, что выполнялось до сих пор – пункт 1, 2, 3 и 4 – это действия аппаратуры, без какого-либо участия программного обеспечения).
   ОС по содержимому внутренних данных определяет конечную причину данного прерывания: или это действительно защита памяти, или мы пытались обратиться к странице ОЗУ, которая временно размещена во внешней памяти.

Таким образом, предложенная модель организации виртуальной памяти позволяет решить проблему фрагментации ОЗУ. На самом деле, некоторая фрагментация остается (если в странице занят хотя бы 1 байт, то занята вся страница), но она является контролируемой и не оказывает значительного влияния на производительность системы.

Далее, данная схема позволяет простыми средствами организовать защиту памяти, а также своппирование страниц.

Предложенная модель организации виртуальной памяти позволяет иметь отображение виртуального адресного пространства программы/процесса в произвольные физические адреса, также позволяет выполнять в системе программы/процессы, размещенные в ОЗУ частично (оставшаяся часть может быть размещена во внешней памяти).

Недостаток – необходимость наличия в ЦП аппаратной таблицы значительных размеров.

Итак мы рассмотрели модельный, упрощенный вариант организации виртуальной памяти. Реальные решения используемые в различных архитектурах ЭВМ могут быть гораздо сложнее, но основные идеи остаются неизменными.

4Операционная система. Базовые понятия, определения.

4.1Базовые понятия, определения, структура

Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающий контроль за существованием (некоторые из ресурсов ВС, как мы знаем, являются программными или логическими/виртуальными и создаются под контролем операционной системой), распределением и использованием ресурсов ВС.

Любая ОС оперирует некоторым набором базовых сущностей (понятий) на основе которых строится логика функционирования системы. Например, подобными базовыми понятиями могут быть задача, задание, процесс, набор данных, файл, объект.

Одним из наиболее распространенных базовых понятий ОС является процесс.

Интуитивно определение процесса достаточно просто, но определить процесс строго, формально, достаточно сложно. Поэтому существует целый ряд определений процесса, многие из которых системно-ориентированы.

Процесс – это совокупность машинных команд и данных, исполняющаяся в рамках ВС и обладающая правами на владение некоторым набором ресурсов. Эти права могут быть эксклюзивными, когда ресурс принадлежит только этому процессу. Некоторые из ресурсов могут разделяться, т. е. одновременно принадлежать двум и более процессам, в этом случае мы говорим о разделяемых ресурсах.

Возможно два варианта выделения ресурсов процессу:

• предварительная декларация использования тех или иных ресурсов (до начала выполнения процесса в систему передается перечень ресурсов, которые будут использованы процессом);

• Динамическое пополнение списка принадлежащих процессу ресурсов по ходу выполнения процесса при непосредственном обращении к ресурсу.

Реальная схема зависит от конкретной ОС. На практике возможно использование комбинации этих вариантов. Для простоты изложения будем считать, что модельная ОС имеет возможность предварительной декларации ресурсов, которые будут использованы процессом.

Любая ОС должна удовлетворять следующим свойствам:

• надежность

• защита

• эффективность

• предсказуемость

Типовая структура ОС.

Ядро – резидентная часть ОС, работающая в режиме супервизора. В ядре размещаются программы обработки прерываний и драйверы наиболее «ответственных» устройств. Это могут быть и физические, и виртуальные устройства. Например, в ядре могут располагаться драйверы файловой системы, ОЗУ. Обычно ядро работает в режиме физической адресации.

Следующие уровни структуры – динамически подгружаемые драйверы физических и виртуальных устройств. Это драйверы, добавление которых в систему возможно «на ходу» без перекомпоновки программ ОС. Они могут являться резидентными и нерезидентными, а также могут работать как в режиме супервизора, так и в пользовательском режиме.

Можно выделить следующие основные логические функции ОС:

• управление процессами;

• управление ОП;

• планирование;

• управление устройствами и ФС.

4.2Управление процессами

4.2.1Жизненный цикл процесса

Рассмотрим типовые этапы обработки процесса в системе, совокупность этих этапов будем назвать жизненным циклом процесса в системе. Традиционно, жизненный цикл процесса содержит этапы:

• образование (порождение) процесса;

• обработка (выполнение) процесса;

• ожидание (по тем или иным причинам) постановки на выполнение;

• завершение процесса.

Однако жизненные циклы процессов в реальных системах могут иметь свою, системно-ориентированную совокупность этапов.

Рассмотрим модельную ОС.

Пусть имеется специальный буфер ввода процессов (БВП) – пространство, в котором размещаются и хранятся сформированные процессы от момента их образования, до момента начала выполнения. На данном этапе происходит формирование всех необходимых структур данных, соответствующих процессу. В частности, на данном этапе ОС формирует информацию о предварительно заказанных данным процессом ресурсах. Основная задача БВП – «подпитка» системы новыми процессами, готовыми к исполнению.

После начала выполнения процесса он попадает в буфер обрабатываемых процессов (БОП). В данном буфере размещаются все процессы, находящиеся в системе в мультипрограммной обработке.

Обобщенный жизненный цикл процесса можно представить в этом случае графом состояний. Рассмотрим, кратко, переходы процесса из состояния в состояние.

1. После формирования процесс поступает в очередь на начало обработки ЦП (попадает в БВП).

2. В БВП выбирается наиболее приоритетный процесс для начала обработки ЦП (попадает в БОП).

3. Процесс прекращает обработку ЦП по причине ожидания операции в/в, поступает в очередь завершения операции обмена (БОП).

4. Процесс прекращает обработку ЦП, но в любой момент может быть продолжен (например, истек квант времени ЦП, выделенный процессу). Поступает в очередь процессов, ожидающих продолжения выполнения центральным процессором (БОП).

5. Наиболее приоритетный процесс продолжает выполнение ЦП (БОП).

6. Операция обмена завершена и процесс поступает в очередь ожидания продолжения выполнения ЦП (БОП).

7. Переход из очереди готовых к продолжению процессов в очередь процессов, ожидающих завершения обмена (например, ОС откачала содержимое адресного пространства процесса из ОЗУ во внешнюю память) (БОП).

8. Завершение процесса, освобождение системных ресурсов. Корректное завершение работы процесса, разгрузка информационных буферов, освобождение ресурсов (например, реальный вывод информации на устройство печати).

Текущее состояние любого процесса из БОП изменяется во времени в зависимости от самого процесса и состояния ОС. С каждым из процессов из БОП система ассоциирует совокупность данных, характеризующих актуальное состояние процесса – контекст процесса. (в общем случае контекст процесса содержит информацию о текущем состоянии процесса, включая информацию о режимах работы процессора, содержимом регистровой памяти, используемой процессом, системной информации ОС, ассоциированной с данным процессом).

Процессы, находящиеся в одном из состояний ожидания в своих контекстах содержат всю информацию, необходимую для продолжения выполнения - состояние процесса в момент прерывания (копии регистров, режимы ОП, настройки аппарата виртуальной памяти и т. д.). Соответственно при смене выполняемого процесса ОС осуществляет «перенастройку» внутренних ресурсов ЦП, происходит смена контекстов выполняемых процессов.

На этапе выполнения процесса ОС обеспечивает возможность корректного взаимодействия процессов от передачи сигнальных воздействий от процесса к процессу до организации корректной работы с разделяемыми ресурсами.

Итак, контекст процесса может состоять из:

• пользовательской составляющей – состояние программы, как совокупности машинных команд и данных, размещенных в ОЗУ;

• системной составляющей – содержимое регистров и режимов работы процессора, настройки аппарата защиты памяти, виртуальной памяти, принадлежащие процессу ресурсы (как физические, так и виртуальные).

4.2.2Типы процессов

В различных системах используются различные трактовки определения термина процесс. Рассмотрим уточнение понятия процесса.

Полновесные процессы - это процессы, выполняющиеся внутри защищенных участков памяти операционной системы, то есть имеющие собственные виртуальные адресные пространства для статических и динамических данных. В мультипрограммной среде управление такими процессами тесно связано с управлением и защитой памяти, поэтому переключение процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого является достаточно дорогой операцией. В дальнейшем, используя термин процесс будем подразумевать полновесный процесс.

Легковесные процессы, называемые еще как нити или сопрограммы, не имеют собственных защищенных областей памяти. Они работают в мультипрограммном режиме одновременно с активировавшей их задачей и используют ее виртуальное адресное пространство, в котором им при создании выделяется участок памяти под динамические данные (стек), то есть они могут обладать собственными локальными данными. Нить описывается как обычная функция, которая может использовать статические данные программы. Для одних операционных систем можно сказать, что нити являются некоторым аналогом процесса, а в других нити представляют собой части процессов. Таким образом, обобщая можно сказать – в любой операционной системе понятие «процесс» включает в себя следующее:

• исполняемый код;

• собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс;

• ресурсы системы, которые назначены процессу ОС;

• хотя бы одну выполняемую нить.

При этом подчеркнем – понятие процесса может включать в себя понятие исполняемой нити, т. е. однонитевую организацию – «один процесс – одна нить». В данном случае понятие процесса жестко связано с понятием отдельной и недоступной для других процессов виртуальной памяти. С другой стороны, в процессе может несколько нитей, т. е. процесс может представлять собой многонитевую организацию.

Нить также имеет понятие контекста – это информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванной нити. Контекст нити содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти, которая используется подсистемами и библиотеками. Как видно, в данном случае характеристики нити во многом аналогичны характеристикам процесса. С точки зрения процесса, нить можно определить как независимый поток управления, выполняемый в контексте процесса. При этом каждая нить, в свою очередь, имеет свой собственный контекст.

4.2.3Взаимодействие процессов. Методы синхронизации

Процессы, выполнение которых хотя бы частично перекрывается по времени, называются параллельными. Они могут быть независимыми и взаимодействующими. Независимые процессы – процессы, использующие независимое множество ресурсов и на результат работы такого процесса не влияет работа независимого от него процесса. Наоборот – взаимодействующие процессы совместно используют ресурсы и выполнение одного может оказывать влияние на результат другого.

Совместное использование несколькими процессами ресурса ВС, когда каждый из процессов одновременно владеет ресурсом называют разделением ресурса. Разделению подлежат как аппаратные, так программные ресурсы. Разделяемые ресурсы, которые должны быть доступны в текущий момент времени только одному процессу – это так называемые критические ресурсы. Таковыми ресурсами могут быть, как внешнее устройство, так и некая переменная, значение которой может изменяться разными процессами.

Необходимо уметь решать две важнейшие задачи:

1. Распределение ресурсов между процессами.

2. Организация защиты адресного пространства и других ресурсов, выделенных определенному процессу, от неконтролируемого доступа со стороны других процессов.

Важнейшим требованием мультипрограммирования с точки зрения распределения ресурсов является следующее: результат выполнения процесса не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения процесса со скоростями выполнения других процессов.

Характеристики

Список файлов лекций