Лекции по операционным системам

№1

1. Понятие ОС. Основные функции ОС.

Под ОС обычно понимают комплект управляющих программ, которые всту-пают как интерфейс между аппаратурой компьютера, и предназначены для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы, организации на-дежных вычислений. Любой из компонентов программного обеспечения работает под управлением ОС, и ни один из компонентов ПО, за исключением самой ОС не имеет доступа непосредственно к аппаратуре.

Основными функциями ОС являются:

1. Прием от пользователя заданий или команд.

2. Прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку и ос-тановку других программ.

3. Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.

4. Инициация программы (передача ей управления, в результате чего процес-сор исполняет программу).

5. Идентификация всех программ и данных.

6. Обеспечение работы системы управления файлами и СУБД. что увеличива-ет эффективность работы всего ПО.

7. Обеспечения режима мультипрограммирования, т. е. выполнение 2 или бо-лее программ на 1 процессоре, воздающие видимость их одновременного исполнения.

8. Управление операциями ввода/вывода.

9. Удовлетворение жестким ограничениям в режиме реального времени.??

10. Распределение памяти, организация виртуальной памяти.

11. Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стра-тегией и дисциплинами обслуживания.

12. Обмен сообщениями и данными между выполняющимися программами.

13. Защита программ от влияния друг на друга. обеспечение сохранности дан-ных.

14. Предоставление услуг на случай сбоя системы.

15. Обеспечение работы систем программирования.

2. Прерывания. Обработка прерываний.

Прерывания представляют собой механизм позволяющий координировать па-раллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния возникающие при работе процессора. Прерывания – это принудительная передача управления от выполняющейся программы к систе-ме, а через неё к соответствующей программе обработки прерываний, происходящая при определенном событии. Основная цель введения прерываний – реализация асинхронного режима работы и распараллеливания работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами.

Структуры систем прерываний могут быть самыми различными, но все они имеют общую особенность – прерывание непременно ведет за собой изменение по-рядка выполнения команд процессором. Механизм обработки прерываний включает в себя следующие элементы:

1. Установление факта прерывания (прием и идентификация сигнала на преры-вание).

2. Запоминание состояния прерванного процесса (состояние процесса определя-ется значением счетчика команд, содержимым регистра процессора, специфи-кацией режима: пользовательский или привилегированный)

3. Управление аппаратно передается программе обработки прерывания. В этом случае, в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработ-ки прерывания, а в соответствующие регистры из слова состояния.???

4. Сохранение информации прерванной программе, которую не удалось спасти с помощью действий аппаратуры.

5. Обработка прерывания. Работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на 3-ем шаге, но в ОС чаще всего эта об-работка реализуется путем вызова соотв. подпрограммы.

6. восстановление информации относящейся к прерванному процессу.

7. Возврат в прерванную программу.

Первые 3 шага реализуются аппаратными средствами, а остальные – про-граммно.

Главные функции механизма прерывания:

1. Распознавание или классификация прерывания.

2. Передача управления обработчику прерывания.

3. Корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерванной программе к обработчику и обратно должен произво-дится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таб-лицы сод. перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соотв. обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед пере-дачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается ли-бо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке.

????

Обслуживание прерываний. Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы, процессор может обла-дать системой защиты от прерываний: отключение системы прерываний либо запрет или маскирование отдельных сигналов прерываний. Программное управление этими средствами позволяет ОС регулировать обработку сигналов прерывания. Процессор может обрабатывать прерывания сразу по приходу прерывания, откладывать их об-работку на некоторое время, полностью игнорировать. Обычно операции прерыва-ния выполняются только после завершения выполнения текущей команды. По-скольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы преры-вания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:

1) с относительным приоритетом. При этом обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. после окончания обслужива-ния данного запроса (текущего) обслуживается запрос с наивысшим приорите-том. для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные прерывания или просто от-ключить систему прерываний.

2) с абсолютным приоритетом. Всегда обслуживаются задачи с наивысшим приори-тетом. Для реализации этой дисциплины при запросе на обработку прерываний маскируются все прерывания с низшим приоритетом. При этом возможно много-уровневое прерывание, т. е. прерывание программы обработки прерывания. Чис-ло уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета за-проса по принципу стека: LCFS – last come first served, т . е. запрос с более высо-ким приоритетом может прервать запрос с более низким приоритетом. При появ-лении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и если прерывания разрешены, то управление передается на соотв. программу обработки прерываний.

??? Служебные секции, в которых осуществляется сохранение контекста пре-рванной задачи и последняя секция в которой осуществляется восстановление кон-текста, чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание. Эта система прерываний автоматически отключает прерывания, поэто-му необходимо в подпрограмм обработки прерываний вновь включать эту систему обработки прерываний. Итак, на время выполнения центральной секции обработки прерываний прерывания разрешены, на время работы заключительной секции под-программа обработки прерываний должна быть отключена, а после восстановления контекста прерванной задачи включена вновь. Сии действия нужно выполнять в ка-ждой обработке прерываний. Во многих ОС 1 секция обработки прерываний выде-ляется в специальный программный модуль наз. супервизором прерываний.

3. В чем заключается различие между повторновходимым (реентерным) и по-вторнопрерываемыми программными модулями. Как они реализуются.

№2

1. Что такое система управления файлами (СУФ)?

Назначение СУФ.

Организация более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Вместо низкоуровнего доступа к данным – с указанием физического адреса каждой записи – используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нём.

Ряд ОС позволяет работать с несколькими СУФ, в этом случает говорят о монтируемых файловых системах. Существуют также ОС работающие без СУФ, т.е. любая система управления файлами нужна не сама по себе, она разработана для ра-боты в конкретной СО и конкретной файловой системой.

2. Внешние, внутренние и программные прерывания.

Прерывания возникающие при работе выч. системы можно разделить на внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными события-ми, которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от тай-мера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу, прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание от другого процессора или другой ОС.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной 2ичной комбинации; при де-лении на 0; при переполнении или исчезновения порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происхо-дило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое переключения процес-сора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом