Операционные системы (шпаргалка)

Операционные системы (шпаргалка)

|1. Операционная система. |3. Операционная система. |5) Архитектура операционной |

|Определение. Функции |Определение. Классификация |системы. Режимы ядра и |

|операционных систем. |операционных систем по |приложений. Многослойная |

|Функции: |особенностям алгорифмов |архитектура. |

|По современным |управления ресурсами, |Под архитектурой понимается |

|представлениям, ОС должна |особенностям аппаратных |организация ОС. Из основных |

|уметь делать следующее: |платформ, особенностям |программных модулей обычно |

|Обеспечивать загрузку |областей использования. |выделяют две группы: |

|пользовательских программ в |По тому, какие из |ядро – модули, выполняющие |

|оперативную память и их |вышеперечисленных функций |основные функции ОС |

|исполнение. |реализованы (см вопрос 1) и |модули, выполняющие |

|Обеспечивать работу с |каким было уделено больше |вспомогательные функции. |

|устройствами долговременной |внимания, а каким меньше, |Вспомогательные модули |

|памяти, такими как магнитные |системы можно разделить на |делятся на группы: |

|диски, ленты, оптические |несколько классов. |утилиты – программы решения |

|диски и т.д. Как правило, ОС |ДОС (Дисковые Операционные |отдельных задач управления и |

|управляет свободным |Системы) |сопровождения компьютерной |

|пространством на этих |Это системы, берущие на себя |системы. |

|носителях и структурирует |выполнение только первых |Системные обрабатывающие |

|пользовательские данные. |четырех функций. Как правило,|программы – текстовые или |

|Предоставлять более или менее|это просто некий резидентный |графические редакторы, |

|стандартный доступ к |набор подпрограмм, не более |компиляторы, компоновщики, |

|различным устройствам |того. Он загружает |трансляторы |

|ввода/вывода, таким как |пользовательскую программу в |Программы представляющие |

|терминалы, модемы, печатающие|память и передает ей |пользователю дополнительные |

|устройства. |управление, после чего |услуги |

|Предоставлять некоторый |программа делает с системой |Библиотеки процедур |

|пользовательский интерфейс. |все, что ей |различного назначения |

|Слово некоторый здесь сказано|заблагорассудится. Считается |Модули ОС, оформленные в виде|

|не случайно - часть систем |желательным, чтобы после |утилит, системных |

|ограничивается командной |завершения программы машина |обрабатывающих программ и |

|строкой, в то время как |оставалась в таком состоянии,|библиотек - ? – |

|другие на 90% состоят из |чтобы ДОС могла продолжить |Ядро в привилегированном |

|средств интерфейса |работу. Если же программа |режиме. |

|пользователя. |приводит машину в какое-то |Важным свойством архитектуры |

|Более развитые ОС |другое состояние...\ что ж, |ОС является возможность |

|предоставляют также следующие|ДОС ничем ей в этом не может |выполнения защиты данных за |

|возможности: |помешать. Характерный пример |счет выполнения функций ядра |

|Параллельное (точнее, |- различные загрузочные |в привилегированном режиме. |

|псевдопараллельное, если |мониторы для машин класса |Ни одно приложение не должно |

|машина имеет только один |Spectrum. Как правило, такие |иметь возможности без ведома |

|процессор) исполнение |системы работают одновременно|ОС получать дополнительную |

|нескольких задач. |только с одной программой. |память, занимать процессор |

|Распределение ресурсов |Дисковая операционная система|дольше разрешенного ОС |

|компьютера между задачами. |MS DOS для IBM PC-совместимых|времени, непосредственно |

|Организация взаимодействия |машин является прямым |управлять совместно |

|задач друг с другом. |наследником одного из таких |используемыми внешними |

|Взаимодействие |резидентных мониторов. Она, |устройствами. |

|пользовательских программ с |правда, умеет загружать |Аппаратура компьютера должна |

|нестандартными внешними |несколько программ, но не |поддерживать минимум два |

|устройствами. |предоставляет средств для |режима работы – |

|Организация межмашинного |исполнения этих программ. |пользовательский и |

|взаимодействия и разделения |Более того, с точки зрения |привилегированный (режим |

|ресурсов. |документированных функций, |ядра) |

|Защита системных ресурсов, |этим программам нельзя |Подразумевается, что ОС или |

|данных и программ |работать. Конечно, есть еще |ее часть работают в |

|пользователя, исполняющихся |недокументированные задние |привилегированном режиме, а |

|процессов и самой себя от |двери (backdoors)...\ |приложения в |

|ошибочных и зловредных |Существование систем такого |пользовательском. |

|действий пользователей и их |класса обусловлено их |Системный вызов инициирует |

|программ. |простотой и тем, что они |переключение процессора из |

| |потребляют мало ресурсов. Для|пользовательского в |

| |машин класса Spectrum это |привилегированный режим, а |

| |более чем критичные |при возврате к приложению – |

| |параметры. Еще одна причина, |обратный процесс. |

| |по которой такие системы | |

| |могут использоваться даже на | |

| |довольно мощных машинах - | |

| |требование программной | |

| |совместимости с ранними | |

| |моделями того же семейства | |

| |компьютеров. | |

| |ОС | |

| |К этому классу относятся | |

| |системы, берущие на себя | |

| |выполнение всех | |

| |вышеперечисленных функций. | |

| |Разделение на ОС и ДОС идет, | |

| |по-видимому, от систем IBM | |

| |DOS/360 и OS/360 для больших | |

| |компьютеров этой фирмы, клоны| |

| |которых известны у нас в | |

| |стране под названием ЕС ЭВМ | |

| |серии 10XX. (Кстати, у IBM | |

| |была еще TOS/360, Tape | |

| |Operating System - Ленточная | |

| |Операционная Система). | |

| |Здесь под ОС мы будем | |

| |подразумевать системы | |

| |``общего назначения'', то | |

| |есть рассчитанные на | |

| |интерактивную работу одного | |

| |или нескольких пользователей | |

| |в режиме разделения времени, | |

| |при не очень жестких | |

| |требованиях на время реакции | |

| |системы на внешние события. | |

| |Как правило, в таких системах| |

| |уделяется большое внимание | |

| |защите самой системы, | |

| |программного обеспечения и | |

| |пользовательских данных от | |

| |ошибочных и злонамеренных | |

| |программ и пользователей. | |

| |Обычно такие системы | |

| |используют встроенные в | |

| |архитектуру процессора | |

| |средства защиты и | |

| |виртуализации памяти. К этому| |

| |классу относятся такие широко| |

| |распространенные системы, как| |

| |VAX/VMS, системы семейства | |

| |Unix и OS/2, хотя последняя | |

| |не обеспечивает одновременной| |

| |работы нескольких | |

| |пользователей и защиты | |

| |пользователей друг от друга. | |

| | | |

| |Системы реального времени | |

| |Это системы, предназначенные | |

| |для облегчения разработки так| |

| |называемых приложений | |

| |реального времени. Это | |

| |программы, управляющие | |

| |некомпьютерным по природе | |

| |оборудованием, часто с очень | |

| |жесткими ограничениями по | |

| |времени. Примером такого | |

| |приложения может быть | |

| |программа бортового | |

| |компьютера крылатой ракеты, | |

| |системы управления | |

| |ускорителем элементарных | |

| |частиц или промышленным | |

| |оборудованием. Такие системы | |

| |обязаны поддерживать | |

| |многопроцессность, | |

| |гарантированное время реакции| |

| |на внешнее событие, простой | |

| |доступ к таймеру и внешним | |

| |устройствам. Такие системы | |

| |могут по другим признакам | |

| |относиться как к классу ДОС | |

| |(RT-11), так и к ОС (OS-9, | |

| |QNX). Часто такие системы | |

| |(например, VxWorks) | |

| |рассчитаны на работу | |

| |совместно с управляющей | |

| |host-машиной, исполняющей | |

| |``нормальную'' операционную | |

| |систему. | |

|2. Операционная система. |6. Микроядерная архитектура |7. Средства аппаратной |

|Определение. Эволюция |Микроядро — это минимальная |поддержки ОС |

|операционных систем. |стержневая часть ОС, служащая|-- средства поддержки |

|1945-55: |основой модульных и |привелигерованного режима: |

|Были созданы первые ламповые |переносимых расширений. |обычно реализуется на основе |

|вычислительные устройства. |Основная идея заключается в |системы регистров процессора;|

|Программирование |том, чтобы конструировать | |

|исключительно на машинном |необходимую среду верхнего |-- средства трансляции |

|языке. ОС не было. Для |уровня, из которой можно |адресов: выполняются операции|

|программирования |легко получить доступ ко всем|преобразования виртуальных |

|использовался пульт |функциональным возможностям |адресов (в кодах процессора) |

|управления. Из системного |уровня аппаратного |а адреса физической памяти; |

|обеспечения были библиотеки |обеспечения. Искусство |-- средства переключения |

|математических и служебных |разработки микроядра |процессов: предназначены для |

|подпрограмм. |заключается в выборе базовых |быстрого сохранения |

|1955-65: |примитивов, которые должны в |приостанавливаемого контекста|

|Данный этап связан с |нем находиться для |и восстановления контекста, |

|появлением новой технической |обеспечения необходимого и |который становится активным |

|базы программных продуктов. |достаточного сервиса. |(контекст – содержимое всех |

|Появились первые языки. Для |В микроядре содержится и |регистров общего назначения, |

|эффективности использования |исполняется минимальное |регистров флага, а также всех|

|процессорного времени стали |количество кода, необходимое |системных регистров, которые |

|использовать системы пакетной|для реализации основных |связаны с отдельным |

|обработки (прообразы ОС). |системных вызовов. В число |процессом); |

|Задания вводили с помощью |этих вызовов входят передача |-- системный таймер: |

|перфокарт. |сообщений и организация |быстродействующий регистр, |

|1965-80: |другого общения между |счетчик используемый ОС для |

|Произошел переход к ИМС. |внешними по отношению к |выдержки интервалов времени; |

|Появились |микроядру процессами, |-- прерывания, система |

|программно-совместимые |поддержка управления |прерываний; |

|машины, что потребовало |прерываниями, а также ряд |-- средства защиты областей |

|появления совместимых ОС. |некоторых других функций. |памяти: обеспечивает на |

|Большое распространение |Остальные функции, |аппаратном уровне проверку |

|получили системы подобные |характерные для «обычных» ОС,|возможности осуществления |

|ОС/360. Главным достоинством |обеспечиваются как модульные |программным кодом операций с |

|ОС было появление |дополнения-процессы, |определенной областью памяти.|

|мультипрограммирования – это |взаимодействующие главным | |

|способ организации |образом между собой и |[pic] |

|вычислительного процесса, при|осуществляющие взаимодействие| |

|котором на одном процессоре |посредством передачи | |

|попеременно выполняются |сообщений. | |

|несколько программ. Появились|Микроядро является маленьким,| |

|системы разделения времени, |передающим сообщения модулем | |

|при которых создавалась |системного программного | |

|иллюзия единоличного |обеспечения, работающим в | |

|использования машины каждым |наиболее приоритетном | |

|пользователем. |состоянии компьютера и | |

|1980-… |поддерживающим остальную | |

|Потребовалась разработка |часть операционной системы, | |

|дружественного интерфейса, |рассматриваемую как набор | |

|из-за широкого |серверных приложений. | |

|распространения компьютеров. |Достоинства: | |

|Первыми такими ОС были MS-DOS|- более простая организация | |

|и Unix. |чем у монолитных ОС; | |

| |- с микроядром функция | |

| |операционной системы | |

| |разбивается на модульные | |

| |части, которые могут быть | |

| |сконфигурированы целым рядом | |

| |способов, позволяя строить | |

| |большие системы добавлением | |

| |новых частей; | |

| |- микроядра также облегчают | |

| |поддержку мультипроцессоров | |

| |созданием стандартной | |

| |программной среды, которая | |

| |может использовать | |

| |множественные процессоры в | |

| |случае их наличия, однако не | |

| |требует их, если их нет. | |

| |- сети из общающихся между | |

| |собой микроядер могут быть | |

| |использованы для обеспечения | |

| |операционной системной | |

| |поддержки возникающего класса| |

| |массивно параллельных машин. | |

| |- поскольку микроядра малы и | |

| |имеют сравнительно мало | |

| |требуемого к исполнению кода | |

| |уровня ядра, они обеспечивают| |

| |удобный способ поддержки | |

| |характеристик реального | |

| |времени, требующихся для | |

| |мультимедиа, управления | |

| |устройствами и | |

| |высокоскоростных | |

| |коммуникаций. | |

| |- хорошо структурированные | |

| |микроядра обеспечивают | |

| |изолирующий слой для | |

| |аппаратных различий. Таким | |

| |образом, они упрощают | |

| |перенесение кода и | |

| |увеличивают уровень его | |

| |повторного использования. | |

| |Недостатки: | |

| |Ухудшение показателя | |

| |производительности за счет | |

| |большого числа переключений | |

| |между пользовательским и | |

| |привелигерованным режимами. | |

|8. Иерархия памяти. |9. Способы управления |12.Кэширование данных. |

|Управление памятью без |оперативной памятью. Типы |Принцип работы кэш-памяти. |

|использования внешней памяти.|адресов. Страничное |Способы отображения данных на|

| |распределение памяти, |кэш. |

|Иерархия памяти. Память |сегментное, |Кэширование данных. |

|вычислительной машины |сегментно-страничное |Кэш-память - это способ |

|представляет собой иерархию |распределение. |организации совместного |

|запоминающих устройств |Управление памятью. Память |функционирования двух типов |

|(внутренние регистры |является важнейшим ресурсом, |запоминающих устройств, |

|процессора, различные типы |требующим тщательного |отличающихся временем доступа|

|сверхоперативной и |управления со стороны |и стоимостью хранения данных,|

|оперативной памяти, диски, |мультипрограммной |который позволяет уменьшить |

|ленты), отличающихся средним |операционной системы. |среднее время доступа к |

|временем доступа и стоимостью|Распределению подлежит вся |данным за счет динамического |

|хранения данных в расчете на |оперативная память, не |копирования в "быстрое" ЗУ |

|один бит. Методы |занятая операционной |наиболее часто используемой |

|распределения памяти без |системой. Обычно ОС |информации из "медленного" |

|использования дискового |располагается в самых младших|ЗУ. |

|пространства. Все методы |адресах, однако может |Механизм кэш-памяти является |

|управления памятью могут быть|занимать и самые старшие |прозрачным для пользователя, |

|разделены на два класса: |адреса. Функциями ОС по |который не должен сообщать |

|методы, которые используют |управлению памятью являются: |никакой информации об |

|перемещение процессов между |отслеживание свободной и |интенсивности использования |

|оперативной памятью и диском,|занятой памяти, выделение |данных и не должен никак |

|и методы, которые не делают |памяти процессам и |участвовать в перемещении |

|этого. Начнем с последнего, |освобождение памяти при |данных из ЗУ одного типа в ЗУ|

|более простого класса |завершении процессов, |другого типа, все это |

|методов. Этот метод имеет 3 |вытеснение процессов из |делается автоматически |

|решения. Рассмотрим их. |оперативной памяти на диск, |системными средствами. |

|Распределение памяти |когда размеры основной памяти|Кэш память используется для |

|фиксированными разделами. |не достаточны для размещения |уменьшения среднего времени |

|Самым простым способом |в ней всех процессов, и |доступа к данным, хранящимся |

|управления оперативной |возвращение их в оперативную |в оперативной памяти. Для |

|памятью является разделение |память, когда в ней |этого между процессором и |

|ее на несколько разделов |освобождается место, а также |оперативной памятью |

|фиксированной величины. Это |настройка адресов программы |помещается быстрое ЗУ, |

|может быть выполнено вручную |на конкретную область |называемое просто |

|оператором во время старта |физической памяти. |кэш-памятью. Содержимое |

|системы или во время ее |Типы адресов. Для |кэш-памяти представляет собой|

|генерации. Очередная задача, |идентификации переменных и |совокупность записей обо всех|

|поступившая на выполнение, |команд используются |загруженных в нее элементах |

|помещается либо в общую |символьные имена (метки), |данных. Каждая запись об |

|очередь, либо в очередь к |виртуальные адреса и |элементе данных включает в |

|некоторому разделу. |физические адреса. |себя адрес, который этот |

|Подсистема управления памятью|Виртуальные адреса |элемент данных имеет в |

|в этом случае выполняет |вырабатывает транслятор, |оперативной памяти, и |

|следующие задачи: |переводящий программу на |управляющую информацию: |

|(1)сравнивая размер |машинный язык. Так как во |признак модификации и признак|

|программы, поступившей на |время трансляции в общем |обращения к данным за |

|выполнение, и свободных |случае не известно, в какое |некоторый последний период |

|разделов, выбирает подходящий|место оперативной памяти |времени. |

|раздел. (2) осуществляет |будет загружена программа, то|Принцип работы кэш. В |

|загрузку программы и |транслятор присваивает |системах, оснащенных |

|настройку адресов. При |переменным и командам |кэш-памятью, каждый запрос к |

|очевидном преимуществе - |виртуальные (условные) |оперативной памяти |

|простоте реализации - данный |адреса, обычно считая по |выполняется в соответствии со|

|метод имеет существенный |умолчанию, что программа |следующим алгоритмом: |

|недостаток - жесткость. Так |будет размещена, начиная с |1.Просматривается содержимое |

|как в каждом разделе может |нулевого адреса. Совокупность|кэш-памяти с целью |

|выполняться только одна |виртуальных адресов процесса |определения, не находятся ли |

|программа, то уровень |называется виртуальным |нужные данные в кэш-памяти; |

|мультипрограммирования |адресным пространством. |кэш-память не является |

|заранее ограничен числом |Каждый процесс имеет |адресуемой, поэтому поиск |

|разделов не зависимо от того,|собственное виртуальное |нужных данных осуществляется |

|какой размер имеют программы.|адресное пространство. |по содержимому - значению |

|Даже если программа имеет |Максимальный размер |поля "адрес в оперативной |

|небольшой объем, она будет |виртуального адресного |памяти", взятому из запроса. |

|занимать весь раздел, что |пространства ограничивается | |

|приводит к неэффективному |разрядностью адреса, присущей| |

|использованию памяти. С |данной архитектуре | |

|другой стороны, даже если |компьютера, и, как правило, | |

|объем оперативной памяти |не совпадает с объемом | |

|машины позволяет выполнить |физической памяти, имеющимся | |

|некоторую программу, |в компьютере. Физические | |

|разбиение памяти на разделы |адреса соответствуют номерам | |

|не позволяет сделать этого |ячеек оперативной памяти, где| |

| |в действительности | |

| |расположены или будут | |

| |расположены переменные и | |

| |команды. Переход от | |

| |виртуальных адресов к | |

| |физическим может | |

| |осуществляться двумя | |

| |способами. В первом случае | |

| |замену виртуальных адресов на| |

| |физические делает специальная| |

| |системная программа - | |

| |перемещающий загрузчик. | |

| |Второй способ заключается в | |

| |том, что программа | |

| |загружается в память в | |

| |неизмененном виде в | |

| |виртуальных адресах, при этом| |

| |операционная система | |

| |фиксирует смещение | |

| |действительного расположения | |

| |программного кода | |

| |относительно виртуального | |

| |адресного пространства. Во | |

| |время выполнения программы | |

| |при каждом обращении к | |

| |оперативной памяти | |

| |выполняется преобразование | |

| |виртуального адреса в | |

| |физический. | |

| |Страничное распределение | |

| |памяти. Виртуальное адресное | |

| |пространство каждого процесса| |

| |делится на части одинакового,| |

| |фиксированного для данной | |

| |системы размера, называемые | |

| |виртуальными страницами. Вся | |

| |оперативная память машины | |

| |также делится на части такого| |

| |же размера, называемые | |

| |физическими страницами (или | |

| |блоками). Размер страницы | |

| |обычно выбирается равным | |

| |степени двойки: 512, 1024 и | |

| |т.д., это позволяет упростить| |

| |механизм преобразования | |

| |адресов. При загрузке | |

| |процесса часть его | |

| |виртуальных страниц | |

| |помещается в оперативную | |

| |память, а остальные - на | |

| |диск. Смежные виртуальные | |

| |страницы не обязательно | |

| |располагаются в смежных | |

| |физических страницах. При | |

| |загрузке операционная система| |

| |создает для каждого процесса | |

| |информационную структуру - | |

| |таблицу страниц, в которой | |

| |устанавливается соответствие | |

| |между номерами виртуальных и | |

| |физических страниц для | |

| |страниц, загруженных в | |

| |оперативную память, или | |

| |делается отметка о том, что | |

| |виртуальная страница | |

| |выгружена на диск. При | |

| |активизации очередного | |

| |процесса в специальный | |

| |регистр процессора | |

| |загружается адрес таблицы | |

| |страниц данного процесса. При| |

| |каждом обращении к памяти | |

Страницы: 1, 2, 3, 4