Операционная система комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной
Скачать 0.78 Mb.
|
Преимущества кооперативной многозадачности: отсутствие необходимости защищать все разделяемые структуры данных объектами типа критических секций и mutex'ов, что упрощает программирование, особенно перенос кода из однозадачных сред в многозадачные. Недостатки: неспособность всех приложений работать в случае ошибки в одном из них, приводящей к отсутствию вызова операции «отдать процессорное время». Крайне затрудненная возможность реализации многозадачной архитектуры ввода-вывода в ядре ОС, позволяющей процессору исполнять одну задачу в то время, как другая задача инициировала операцию ввода-вывода и ждет её завершения. Реализована в таких ОС, как: В пользовательском режиме ОС Windows версий до 3.х включительно Mac OS версий до Mac OS X внутри ядер многих UNIX-подобных ОС, таких, как FreeBSD Linux в течение долгого времени. Вытесняющая или приоритетная многозадачность (режим реального времени) Вид многозадачности, в котором операционная система сама передает управление от одной выполняемой программы другой в случае завершения операций ввода-вывода, возникновения событий в аппаратуре компьютера, истечения таймеров и квантов времени, или же поступлений тех или иных сигналов от одной программы к другой. В этом виде многозадачности процессор может быть переключен с исполнения одной программы на исполнение другой без всякого пожелания первой программы и буквально между любыми двумя инструкциями в её коде. Распределение процессорного времени осуществляется планировщиком процессов. К тому же каждой задаче может быть назначен пользователем или самой операционной системой определенный приоритет, что обеспечивает гибкое управление распределением процессорного времени между задачами (например, можно снизить приоритет ресурсоёмкой программе, снизив тем самым скорость её работы, но повысив производительность фоновых процессов). Этот вид многозадачности обеспечивает более быстрый отклик на действия пользователя. Преимущества: возможность полной реализации многозадачного ввода-вывода в ядре ОС, когда ожидание завершения ввода-вывода одной программой позволяет процессору тем временем исполнять другую программу. Сильное повышение надежности системы в целом, в сочетании с использованием защиты памяти -- идеал в виде «ни одна программа пользовательского режима не может нарушить работу ОС в целом» становится достижимым хотя бы теоретически, вне вытесняющей многозадачности он не достижим даже в теории. Возможность полного использования многопроцессорных и многоядерных систем. Недостатки: необходимость особой дисциплины при написании кода, особые требования к его реентрантности, к защите всех разделяемых и глобальных данных объектами типа критических секций и mutex'ов. Реализована в таких ОС, как: VMS Linux в пользовательском режиме (а часто и в режиме ядра) всех UNIX-подобных ОС, включая версии Mac OS X, iOS; Symbian OS в режиме ядра ОС Windows 3.x -- только при исполнении на процессоре 386 или старше, «задачами» являются только все Windows-приложения вместе взятые и каждая отдельная виртуальная машина ДОС, между приложениями Windows вытесняющая многозадачность не использовалась Windows 95/98/ME -- без полноценной защиты памяти, что служило причиной крайне низкой, на одном уровне с MS-DOS, Windows 3.x и Mac OS версий до X -- надежности этих ОС Windows NT/2000/XP/Vista/7 и в режиме ядра, и в пользовательском режиме. AmigaOS -- все версии, до версии 4.0 без полноценной защиты памяти, что на практике для системных программ почти не сказывалось на надёжности из-за высокой стандартизированности, прозрачных API и SDK. Программы ориентированные на «железо» Амиги, наоборот не отличались надёжностью. Структура операционной системы Защищенный режим работы процессора Современные операционные системы работают преимущественно в защищенном режиме. Впервые защищенный режим появился в микропроцессоре i80286 фирмы Intel. Именно этот режим позволяет полностью использовать все возможности, предоставляемые микропроцессором. Процессы и потоки Основными элементами современной многозадачной ОС являются процессы и потоки. Основной задачей операционной системы является работа с этими элементами. Процесс -- выполнение пассивных инструкций компьютерной программы на процессоре ЭВМ. Стандарт ISO 9000:2000 Definitions определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие. Компьютерная программа сама по себе это только пассивная совокупность инструкций, в то время как процесс -- это непосредственное выполнение этих инструкций. Часто процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и т. д. Процесс является «самой тяжёлой» единицей планирования ядра. Собственные ресурсы для процесса выделяются операционной системой. Ресурсы включают память, дескрипторы файлов, разъёмы, дескрипторы устройств и окна. Процессы используют адресное пространство и файлы ресурсов в режиме разделения времени только через явные методы, такие как наследование дескрипторов файлов и сегментов разделяемой памяти. Процессы, как правило, предварительно преобразованы к многозадачному способу выполнения. Поток выполнения является наименьшей единицей обработки, исполнение которой может быть назначено операционной системой. Реализация потоков выполнения и процессов в разных операционных системах отличается друг от друга, но в большинстве случаев поток выполнения находится внутри процесса. Несколько потоков выполнения могут существовать в рамках одного и того же процесса и совместно использовать ресурсы, такие как память, тогда как процессы не разделяют этих ресурсов. В частности, потоки выполнения разделяют инструкции процесса (его код) и его контекст (значения переменных, которые они имеют в любой момент времени). В качестве аналогии потоки выполнения процесса можно уподобить нескольким вместе работающим поварам. Все они готовят одно блюдо, читают одну и ту же кулинарную книгу с одним и тем же рецептом и следуют его указаниям, причём не обязательно все они читают на одной и той же странице. Потоки выполнения ядра относятся к «лёгким» единицам планирования ядра. Внутри каждого процесса существует по крайней мере один поток выполнения ядра. Если в рамках процесса могут существовать несколько потоков выполнения ядра, то они совместно используют общую память и файл ресурсов. Если процесс выполнения планировщика операционной системы является приоритетным, то потоки выполнения ядра тоже являются приоритетно многозадачными. Потоки выполнения ядра не имеют собственных ресурсов, за исключением стека вызовов, копии регистров процессора, включая счётчик команд, и локальную память потока выполнения (если она есть). Ядро может назначить по одному потоку выполнения для каждого логического ядра системы (поскольку каждый процессор разделяет сам себя на несколько логических ядер, если он поддерживает многопоточность, либо поддерживает только одно логическое ядро ??на каждое физическое ядро, если не поддерживает многопоточность), а может выполнять свопинг заблокированных потоков выполнения. Однако потоки выполнения ядра требует гораздо больше времени, чем требуется на свопинг пользовательских потоков выполнения. Отличие потоков выполнения от процессов: Потоки выполнения отличаются от традиционных процессов многозадачной операционной системы тем, что: процессы, как правило, независимы, тогда как потоки выполнения существуют как составные элементы процессов процессы несут значительно больше информации о состоянии, тогда как несколько потоков выполнения внутри процесса совместно используют информацию о состоянии, а также память и другие вычислительные ресурсы процессы имеют отдельные адресные пространства, тогда как потоки выполнения совместно используют их адресное пространство процессы взаимодействуют только через предоставляемые системой механизмы связей между процессами переключение контекста между потоками выполнения в одном процессе, как правило, быстрее, чем переключение контекста между процессами. Управление памятью Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны многозадачной операционной системы. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов. Функции ОС по управлению памятью Под памятью (memory) здесь подразумевается оперативная память компьютера. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью (storage), оперативной памяти для сохранения информации требуется постоянное электропитание. Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции протравы только в том случае, если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы. В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами. Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются: отслеживание свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов; вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место; настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы. Во время работы операционной системы ей часто приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и потоков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы, используемые процессами для обмена данными, синхронизирующие объекты и т. п. Все эти системные объекты требуют памяти»» В некоторых ОС заранее (во время установки) резервируется некоторый фиксированный объем памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически. В таком случае разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. обращаются к подсистеме управления памятью с запросами. Защита памяти -- это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как правило, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппаратными средствами. Алгоритмы распределения памяти Следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память «кусками»? Должны ли сегменты программы, загруженные в память, находиться на одном месте в течение всего периода выполнения процесса или можно ее время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Разные ОС по-разному отвечают на эти и другие базовые вопросы управления памятью. Далее будут рассмотрены наиболее общие подходы к распределению памяти, которые были характерны для разных периодов развития операционных систем. Некоторые из них сохранили актуальность и широко используются в современных ОС, другие же представляют в основном только познавательный интерес, хотя их и сегодня можно встретить в специализированных системах. Все алгоритмы распределения памяти разделены на два класса: алгоритмы, в которых используется перемещение сегментов процессов между оперативной памятью и диском, и алгоритмы, в которых внешняя память не привлекается. Ввод и вывод информации Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие: организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора; согласование скоростей обмена и кэширование данных; разделение устройств и данных между процессами; обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы; поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера; динамическая загрузка и выгрузка драйверов; поддержка нескольких файловых систем; поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода. Рассмотрим некоторые задачи детально. Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы -- диск, принтер, терминал и т. п. -- снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером -- системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать (например, вывести в виде текста в определенную область терминала или записать в определенный сектор диска). Под управлением контроллера устройство может некоторое время выполнять свои операции автономно, не требуя внимания со стороны центрального процессора. Это время зависит от многих факторов -- объема выводимой информации, степени интеллектуальности управляющего устройством контроллера, быстродействия устройства и т. п. Даже самый примитивный контроллер, выполняющий простые функции, обычно тратит довольно много времени на самостоятельную реализацию подобной функции после получения очередной команды от процессора. Это же справедливо и для сложных контроллеров, так как скорость работы любого устройства ввода-вывода, даже самого скоростного, обычно существенно ниже скорости работы процессора. Процессы, происходящие в контроллерах, протекают в периоды между выдачами команд независимо от ОС. От подсистемы ввода-вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большого количества разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера. С другой стороны, необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода, оставив как можно больше процессорного времени на выполнение пользовательских потоков. Данная задача является классической задачей планирования систем реального времени и обычно решается на основе многоуровневой приоритетной схемы обслуживания по прерываниям. Для обеспечения приемлемого уровня реакции все драйверы (или части драйверов) распределяются по нескольким приоритетным уровням в соответствии с требованиями ко времени реакции и временем использования процессора. Для реализации приоритетной схемы обычно задействуется общий диспетчер прерываний ОС. Разделение устройств и данных между процессами Устройства ввода-вывода могут предоставляться процессам как в монопольное, так и в совместное (разделяемое) использование. При этом ОС должна обеспечивать контроль доступа теми же способами, что и при доступе процессов к другим ресурсам вычислительной системы -- путем проверки прав пользователя или группы пользователей, от имени которых действует процесс, на выполнение той или иной операции над устройством. Например, определенной группе пользователей последовательный порт разрешено захватывать в монопольное владение, а другим пользователям это запрещено. |
Похожие:
 | Реферат на тему: Сравнение операционных систем Windows и Linux Ос – комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и... | | Рефераты защита авторских прав Вирусы Антивирусы, Фаерволы Корпорация... Информатика — наука о способах получения, накоплении, хранении, преобразовании, передаче и использовании информации |
| Операционная система Linux и описание её основных дистрибутивов Выбранная тема достаточно актуальна в ниши дни. Потому что Windows операционная система, которая не раскрывает полных возможностей... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Операционная система обеспечивает удобный способ общения (интерфейс) пользователя с прикладными программами |
| Урок на тему "Как устроен компьютер" Оборудование: компьютерный класс, операционная система Windows xp, пакет программ Microsoft Office |  | Преамбула Соглашение об ассоциации между украиной, с одной стороны, и европейским союзом и его государствами-членами, с другой стороны beta... |
| 1. Модель устойчивого развития Республики Беларусь Вступив в XXI век, человечество столкнулось с целым рядом сложных проблем, обусловленных, с одной стороны, противоречиями между обществом... | | Используемые термины и определения Настоящие Условия регулируют отношения между Абонентом и (или) пользователем, с одной стороны, и Оператором, с другой стороны, при... |
| №2-сд от 01. 10. 2013г., с одной стороны, и Товарищества собственников жилья «Авто-11» Сд от 01. 10. 2013г., с одной стороны, и Товарищества собственников жилья «Авто-11», именуемое в дальнейшем заказчик, в лице председателя... | | Экранизация мифа: трудности перевода В статье анализируется соотношение, с одной стороны, факторов, благодаря которым можно говорить о высокой «мифогенности» кинематографа,... |
| В настоящее время в мировой экономике действуют две тенденции. С... С одной стороны, усиливается целостность мирового хозяйства, его глобализация, что вызвано развитием экономических связей между странами,... | | «Новости маркетинга»: методом погружения (в маркетинг) Такое состояние «окружающей среды» провоцирует двоякость восприятия: с одной стороны, значимость конкретного мероприятия снижается,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Программное обеспечение: Операционная система Windows xp, пакет программ Office 2003 (ms powerPoint, ms word, Paint) | | 2. Биоразнообразие Московской области Наше время характеризуется бурным развитием городов и обострением проблем, связанных с взаимоотношением природы и общества. Одна... |
| Проектная деятельность ученика как форма контроля алешкина Т. Л. Басарыгина М. Н ИТ). Одной из задач, мы считаем, является поиск удобной формы контроля знаний учащихся, которые практически в совершенстве владеют... | | Фирма liechti engineering ag (Швейцария), являющаяся всемирно известным... Программное обеспечение Turbosoft plus имеет модульную структуру и предусматривает интерфейс с другими cad/cam системами (iges для... |
