Реферат: Лекции по Основам ВТ

Реферат: Лекции по Основам ВТ

ОС. Функции ОС.

Информационно вычислительная система (ИВС)-это совокупность технических и програмных средств которые предназначены для решения задач связаной с автоматизацией обработки информации. Взаимодействие таких систем с внешним миром осуществляется с помощью датчиков обеспечивающие связь с пользователями или приборами с целью обработки данных и управления. ОС реального времени UNIX поддерживает работу интеллектуальной оболочки.

Основная ф-я информационно вычислительной системы  представление услуг для решения традиционных задач: 1Управление  инфой (хранение,введение, поиск, организация связей и т.д.)2разработка и отладка программ 3 эксплуатация программ. Можно считать что савокупность таких услуг представляет для пользователя некоторую абстракцию или виртуальную машину в противоположность реальной машине существующей физически. Описание этих услуг и правил конкретного пользователя в этих условиях  образует интерфейс ОС. С развитием технических средств уровень абстракции в окружении ОС (входной язык)повышается. Объекты или операции расмотреные в качестве эл-х для конкретной абстр-й машины реализуется с помощью более сложных операций реальной физической машины. Кроме того пользователи одной и той же ИВС должны иметь возможность общатся с различными абстрактными машинами.

 Концептуально сист. удобно расм-ть с помощью 2-х ф-й : 1 Ф-ии общие для широкого круга применения, реализуемые системными программами,  2 Ф-ии необ-е для решения конкретных задач (утилиты) реализуемые конкретными программами. При этом в прикладных программах исп-ся возм-ти обращения к системным программам.

Рассмотрим иерархическую структуру системы

 прикладные программы, сист-е прогр-ы, физическая машина Здесь каждый “слой “ использует ресурсы слоя расположенного под ним, и  формирует интерфейс для предоставления . своих ресурсов верхнему слою (автомат настройки). Интерфейс самого верхнего слоя является интерфейсом всей системы. Эта схема описывает декомпозицию системы очень приближенно. Границы между слоями могут быть подвижными динамическими(например, программа разл-я как прикладная может быть включена как системная если она постоянно используется ) . Некоторые ф-ии представленые в виде сист-й программы могут  быть реализованы микропроцессором если это необходимо и оправдано экономией и удобством. Савокупность сист-х программ обычно имеют 2 уровня. Ср-ва и услуги (компиляторы, загрузщики, редакторы, служеб-е програм-ы , компиляторы, системное ПО  ), компоненты системного ПО или сама ОС.Жесткой границы здесь нет.

Основные ф-ии ОС можно класифицировать по 2-м признакам : 1)Ф-ии реализуемые виртуальными машинами: а)управление инфой (структурирование , обеспечение сохранности, использование имен (виртуальная память),передача данных (ввод/вывод)), б) выполнение(последовательное или паралельное выполнение программ, компоновка прог и т.д.) , в) дополнительные услуги (помощь при отладке, обработка и прерывания аварийных ситуаций, изменение таймера ) .2) Ф-ии контроля и распределения  ресурсов :  управление физическими ресурсами (выделение оперативной памяти, внешней памяти, устройств ввода/вывода), распределение и обмен  инфой между пользователями , защита от несанкционированого доступа, дополнительные услуги (выдача счетов за использованые ресурсы, сбор статистики, тестирование )

Развитие ОС.  1-е  ОС имели пошаговое выполнение программ с непосредственным изменением ячеек памяти(асемблеры, компиляторы, отладчики и программы ввода вывода) эти программы созданы с целью выполнения всей последовательности работ ( организация данных и выполнение прикладных программ, подготовленных заранее и учитывающих переход от одной задачи к непосредственно другой .Основная ф-я ОС этого поколения – управление ресурсами(памятью, процессором, вводом/выводом ). Автоматизация управления позволяло наделить ОС ф-ми защиты от порчи и ошибок. Ограничение времени доступа к процессору чтобы устранить блокирование всей работы(зацикливание в одной проге ), надзор за вводом/выводом, чтобы избежать цикл. обращ  переферийных устройств.,защита зоны памяти от ошибок пользовательских программ. 

МУЛЬТИПРОГРАМИРОВАНИЕ  И РАЗДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ 1)Введение автономных специализированных процессоров для передачи инфы(каналов или устройств обмена ) позволяющие освободить центральный процессор от  полного обесп-я ввода/вывода 2) мультипрогр-е связанное с разделением памяти сразу для нескольких работ(Повысило производительность процессора за счет нескольких систем ввода/вывода) 3) Работа в режиме реального времени восстановила возможность интерактивного общения с машиной , предоставив  возможность  пользоваться общими услугами.

Рассмотрим влияние этих  3-х компонентов на ОС а) буферный ввод/вывод(канал или устройство обмена представляет собой процессор выполняющий автономно(паралельно с обработкой инфы)операции ввода/вывода  ) .Ц.П. и каналы имеют доступ к общей информации в памяти. Поэтому одним из   важных значений ЦП –скорость обработки, а каналов-скорость передачи.

Мульти програмирование Для обеспечения ввода/вывода память разделена на зону для буфера ввода/вывода и на рабочую  зону, при этом  задания обрабатываются последовательно,а  ввод/вывод  и выполнение задания происходит паралельно.

Отмечают 2-а случая: а)Если во время выполнения задания необходимо прочесть нужные данные, то во время чтения ЦП находится в пассивном состоянии, б) выполнение короткого задания поставленого во время выполнения длинного задания  отключается до выполнения последнего. Из этих замечаний вытекают режимы работы ОС:а)Задание ожидает выполнение (может использовать ЦП  который освобожден другим заданием), б)выделеное ЦП задание может быть прервано  если превышаются ограничения по времени.

Достоинства и недостатки Мульти програмирования: а) сложность систем с МП явл. более  сложной т.к обеспечивает разделение памяти и взаимную защиту программ друг от друга б) технические характеристики-МП требует специальные устройства для перемещения програм и защиты памяти в) использование ресурсов : более равномерно загружаются ресурсы (ЦП,память,устройства ввода/вывода). Удобства для пользователя: Уменьшается время обработки коротких заданий в общей последовательности работ. Время реакции  ОС минимальна за счет оптимального распределения лишних ресурсов.

Система с распределением времени Основная ф-я предоставить каждому пользователю эквивалент индивидуальной машины и одновременно сохранять возможность пользоваться общими услугами. Система должна гарантировать доступное время ответа, за счет представления процессору программы на короткие промежутки времени(кванты).

МЕХАНИЗМЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММ   Процедуры, активность и контекст. Посл-я программа состоит из савокупности процедур обращающихся друг к другу. С каждой из этих процедур связана отдельная- сегмент процедура. Сегмент данных может относится как к одной процедуре так ик нескольким. Активным состоянием называется процесс непрерывного выполнения одной процедуры . Таким образом выполнение послед. проги состоит из ряда активных состояний.

Контекстом активности-наз та часть инфы которая доступна ЦП во время данного активного состояния. Этот  контекст таким образом контекст ЦП (програмные и внутренние регистры) и контекст памяти. Сегмент процедуры и сегменты данных. Переход от одной активности  к другой реализуются с помощью спец инструкций-вызова из процедуры и возв-т из пр-ры который производит замену контекста.

 Вызов и возврат процедурыПроцедура R (вызыв-я) вызывает процедуру У с помощью последовательности действий вызов. Которая включает следующие этапы: а)  Подготовка параметров передаваемых  из R  в У, б)сохранение части контекста R до возврата из У, в)замена контекста R на контекст У.

Функционирование  сопрограмм  В случае управления сопрограммами вызывающая и вызываемая процедура играют симметричные роли (последовательность возврата идентична последовательности вызова). Активное состояние возникшее при вызове R получает в качестве исходного тот контекст который сохранился со времени последнего вызова процедуры R. Последовательность замены  вкл следующие этапы  а) подготовка парам-в из R вУ , б)сохранение части контекста R котор-я  должна быть использована при последующих возобновлениях, в) вост-е контекста хранимого со временем последнего обращения к У.

Механизм посл-го выполнения содержащий процедуры или сопрограммы как последовательность активных состояний, соотв-х этим процедурам или сопрограммам и обеспечивающих : а) сохранение и востановление контекстов при вызове и возврате , б)передача параметров между  вызываемой и вызвовшей программой , в) управление рабочими зонами памяти.

 Процедуры ОС

.В качестве исполнительной структуры данных применяется стек выполнения . Возможны различные варианты стеков. Отлича-ся деталями спецификации контекста и его динамическими  измененими при вызове и возврате процедуры.  Схема выполнения может быть запрограмирована непосредственно на языке асемблера или представлена выполняемой структурой на обычном языке програмирования. Рассмотренная модель опирается на 2 гипотезы :  а) параметры процедуры передаются по значению при возврате из процедур передается последний результат. Б) процедуры могут вызыватся рекурсивно.  В вершине стека выполнения , при каждом вызове процедуры создается специальня структура данных, образующая область среды . Стек управляется с помощью 2-х указателей –база и вершина. БАЗА- указ на базу стека (адреса )среды активной процедуры. Вершина-  указ на 1-ю свободную ячейку для создания новой среды. Состояние стека до и после вызова. JJJСХЕМА JJJ.Среда содержит следующую информацию –сведения об участках хранения и связях (указатель базы+смещение), параметры (n+1 ячейка), локальные переменные и рабочее пространство процедуры. 

Операции : а) вызов:1) выделить в стеке зону для среды (ее размер) за исключением рабочего пространства,2) время t:=база ;база:=вершина; вершина:=вершина+размер среды ; 3) сохранить инфу для возврата . Для сохранения используется: предыдущая база := ВРЕМЯ; размещение адреса возврата; 4)размещение параметров 5)выполнить переход к вызываемой процедуре. б) Процедура возврата: 1) Разместить результат в предусмотреных ячейках,2)востановить инфу возврата и очистить среду . Время(t):=адрес возврата; Вершина:=адрес база;База:= предыдущая база. 3)возврат реализует процедура— произведение переход навремя.

Состояние процессора. К регистрам определяющим состояние ЦП относятся: адресуемые регистры, управляемые программами,специализ-е регистры, предназначеные для некоторой синтаксической инфы(синтетической)-слово. . Инфа содержащаяся  в слове сост проц-ра характеризует следующие : состояние выполнения (активное или ожидание),режим (распоредителя или исполнителя), маски прерывания,информация о доступном контексте  в памяти ЭВМ и соотве-х правах доступа (таблица  сегментов , указатели защиты памяти), инфа о текущем активном состоянии (условный код, порядковый счетчик).

Прерывания-представляют собой перестановку контекста процессора  вызываемую внешними по отношению к выпол-ю инструкцией причиной. Физически прервания представляются сигналом о прерывание работы посылаемой не посредственно процессору этот сигнал вызывает изменение состояние указателя проверяемого в ходе выполнения каждой инструкции. Этот сигнал может послать другой процессор, внешнее устройство, ввода/вывода или пользователь . Прерывания вынуждают процессор приостановить в ближайшей  точке прерывания выполнение текущей проги и приступить к выполнению другой спец программы . Эта прога наз обработчиком прерываний. Общая СХЕМА программы прерывания: Прерваная прога —обработчик прерыванийàсохранение контекста прогиà àобработка прерываний программы àвост-е программыàпереход к новой проге  . 

Захваты и обращение к супервизору.  Вызываются причинами связаными с ходом выполнения инструкции. Захват сигнализирует ОС об аномалии при выполнении инструкций. Причины- неправильные данные приводящие к нарушению правил хода выполнения инструкции, попытка выполнения операции запрещеной защищающим устройством, невыполняемая  инструкция (адресс вне поля памяти, обращение к несущему устройству) .

КРАТКИЙ ОБЗОР ОС.

ОС в большой степени опрелеляет представления пользователя об  ЭВМ, чем аппаратура  ЭВМ. ОС- набор пограмм, обеспечивающих возможность использования аппаратуры компьютера. Любая ОС реализует множество различных ф-ий. Определяет интерфейс пользователя , обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между пользователями, дает возможность работать с общими данными в режиме колективного  пользования, планирует доступ пользователя к ресурсам, обеспечивет эффективное использование операций ввода/вывода  , осуществляет востановление инфы и вычисление процесса в случае сбоев и ошибок. ОС управляет : процессорами, памятью ,устройствами ввода/вывода ,и данными. ОС взаимодействует с пользователем , системными прикладными программами ,программами и АППАратными средствами. ПОКОЛЕНИЯ ОС .

1)нулевое поколение(40г.) в 1-х ЭВМ ОС не было. Пользователи имели полный доступ к машинному языку и все проги писались в исходных кодах. 2)1-е поколение (50-е г.) Ос 50-х годов были разработаны с целью ускорения и упрощения перехода с задачи на задачу. До создания этих ОС много машинного времени тратилось в промежутках м/у завершением одной проги и началом другой. Это было начало систем пакетной обработки, которые предусматривали  объединение отдельных пакетов в группы 3) 2-е поколение начало 60-х годов. Были задуманы как ОС колективного пользования с мульти програмным режимом работы и как 1-е системы мультипроцессорного типа.В этих ОС несколько полезных программ одновременно находится в основной памяти компьютера ,а центральный процессор переключается от задачи к задаче. Появляются методы обеспечивающие независимое програмирование от внешних устройств. Появляются сист с разделением времени ,которые позволяли пользователю взаимодействовать с компьютором при помощи пультов терминалов. В системе  разде-го вр-ни работающих в диалоговом режиме. Появл-ся 1-е системы реального времени.  4) 3-е поколение (середина 60-х до70-х) Многорежимные системы. Некоторые из этих ОС осуществ-т работу в нескольких извесных режимах-пакетная обработка, разделение времени, Real Time ,мультипроцессорный режим . Минус -они были громозкими и дорогостоящими. Привели к сильному усложнению вычислительной установки. 5) 4-е поколение (середина 80-х до 90-х ) наиболее совершенные системы настоящего времени. Интернет технология, глобальные и локальные сети, технология удаленого доступа при помощи различных терминалов различных ОС, появление микропроцессора. Усложнились проблемы защиты инфы(хакерство). Появились виртуальные машины с распр-ми БД. АППАРАТУРА, ПО, МИКРОПРОГРАММЫ.

Расслоение памяти или interliving  этот метод применяется для увеличения скорости доступа к основной памяти в реальной ситуации. При обращении хотя бы к одной из ячеек памяти ни каких операций с памятью производить нельзя. При интерливинде соседние по адресам ячейки размещены в различных модулях памяти. Появляется возможность паралельной работы с памятью. 

Регистр перемещения  обеспечивает   возможность динамического перемещения программ в памяти. В этот регистр заносится базовый адресс проги хранящейся в основной памяти. После обращения к регистру , содержимое  регистра+  каждому указ в  вып-ой прог-ме адресу(база +смещение). Прерывание и опрос состояния. Одним из способов позволяющих некоторому устройству проверить состояние другого  устройства которое работает часто независимо  называется элементарный опрос этого устройства (опрос ячеек памяти).1-е устройство может  периодически проверяет находится ли второе устройство в определенном состоянии и если нет то продолжать свою работу. Состояние устройства работа которого прерывается должно быть сохранено  только после этого производится обработка прерывания .

БУФЕРИЗАЦИЯ. БУФЕР- область основной памяти предназначеной для промежуточного хранения данных при выполнении операций ввода/вывода . Скорость выполнения операций ввода/вывода зависит от многих факторов: главная -характеристика устройства вв/в. Различают простую и 2-ю буферизацию. При простой канал помещает данные в буфер . Процессор обрабатывает эти данные . Последовательный процесс обработки. Метод 2-й буферизации позволяет совмещать операцию ввода/вывода с обработкой данных. Когда  канал заносит данные в один буфер  процессор может обрабатывать данные другого буфера.

Защита памяти. Очень важна –условие для нормальной работы многоабоненских вычислительных систем колективного пользования. Защита памяти ограничивает диапазон  адресов в котором разрешены обращ к проге. Защиту памяти для проги  занимающей непрерывный блок ячеик памяти можно реализовать при помощи граничных регистров где указываются старшие и младшие адреса этого блока памяти. Защиту памяти можно реализовать с помощью ключевой защиты памяти . Чаще делают 2-м ключом: программным и аппаратным.

Захват цикла. Узкое место где может возникнуть конфликтная ситуация м/у каналами ЦП -это доступ к основной памяти. В каждый конкретный момент времени может происходить одна операция обращения к некоторому  модулю основной памяти, тк каналу и процессору одновременно может потребоватся обращение к основной памяти , а в этом случае приоритет представляется каналам. Этот процесс наз-ся захватом цикла памяти,  в процессе которого канал активно захватывает цикл обращения у процессора. Все современные ОС без исключения с их основными компонентами и планировщиками отдают предпочтение прогам с большим обьемом инфы ввода/вывода по отношению к прогам с большим объемом вычисления.

Режим задачи,супервизора,приоритетные команды. В вычислительных машинах предусматриваются несколько режимов работы:  динамический выбор режима позволяет лучшим образом организовать защиту прог и данных . В обычном режиме работающая прога может выполнить только некоторое подмножество команд. Так программам пользователя  неразрешаются все операции ввода/вывода т.к он мог бы вывести главный список   паролей системы, или инфу любого другого пользователя. ОС  присваивается статус высшего приоритета и она как правило работает в режиме супервизора  имеющая доступ ко всем  командам машины. Для большинства современных ЭВМ этого разделения на 2 режима вполне достаточно. Однако в случае машин  с высокими требованиями по защите от несанкционированного доступа желательно иметь более двух режимов работы. За счет этого можно увеличить степень защиты на программном уровне . Можно обеспечить доступ где каждому пользователю предоставляется минимальный приоритет права доступа к тем ресурсам которые нужны для решения его задач . В процессе развития компьютерных архитектур выявились тенденции к увеличению приоритетных команд которые не могут выполнятся в режиме задач.

Виртуальная память. Сист. виртуальной памяти дают возможность указать в прогах адреса которым не обязательно соответствовать физическим адресам основной памяти. Виртуальные адреса выдаваемые работающими прогами при помощи  аппаратных ср-в динамически выполняются, преобразуются  в адреса команд и данные, хранящиеся в основной памяти. Сист вирт памяти позволяют прогам работать с адресными пространствами гораздо большого размера , чем адр-е пространство основной памяти . Их основное достоинство они позволяют созд-ть программы независимо от ограничений основной памяти. В сист виртуальной памяти применяются также методы :страничная огрганизацияя и сегментация. В первом случае предусматривается обмен м/у основной и внешней памятью, блоками данных фиксированного размера. Во втором случае проги и данные разделяются на логические компоненты- сегменты. Мультипроцессорная обработка : в мульти процессорных машинах несколько процессоров одновременно работают с общим полем памяти и одной ОС. При мультипроцессорной работе возможно возникновение конфликтов(которых в принципе не бывает в однопроцесорных). Необходимо обеспечить  упорядоченный доступ к каждой общей ячейки памяти так чтобы 2 и более процессоров не могли одновременно изменять ее содержимое. Это   необходимо в тех случаях, когда один процессор пытается изменить  содержимого  ячейки котор. хочет прочитать другой процессор.  

Прямой доступ к памяти. Одним из способов  достижения высокой  производительности ЭВМ  является минимизация количества прерываний происходящих в процессе выполнения программы. Существующий для этого ПДП требует лишь одного прерывания на каждый блок символов, передаваемых во время операций  ввода/вывода. Благодаря этому обмен данными осуществляется значительно быстрее чем в случае когда процессор прерывается при передаче одного символа. После начала операций ввода/вывода символы передаются в основную память по принципу захвата канала цикла (канал захватывает шину связи процессора с основной памятью на короткое время передачи одного символа  после чего процессор продолжает работу). Когда внешнее устройство готово к передаче блока оно “прерывает” процессор. В случае ПДП  состояние проца запоминать  не требуется. ПДП – способ повышения производительности в системах с большим объемом операций ввода/вывода.

Конвейризация- апаратный способ, применяемый в высоко производительных машинах с целью использования опрделенных типов обработки* команд  паралельно для повышения эфективности. Структура конвеерного примера можно представить как технологическую линию производства предприятия ** тех процес. На конвеере процессора на различных стадиях выполнения одновременно могут находится несколько команд.

 Иерархия памяти- Современные ЭВМ содержат несколько видов памяти: основная, внешняя, КЕШ память .В основной памяти должны размещатся команды и данные  к которым будет обращатся работающая программа. ЭМУЛЯЦИЯ-метод позволяющий сделать одну вычислительную машину функционально эквивалентной другой. Набор команд машинного языка эмулируемого компа микропрограмируется на эмулирующем компе благодаря этому программы представленные на языке 1-го компа могут выполнятся на 2-м без ограничений.Современные фирмы широко используют эмуляцию для своих продвинутых приложений..

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ- под процессом понимается прога в стадии выполнения, ассинхронная работа ,  которой выделяет процессоры диспетчируюмый модуль. Говорят что процесс  выполняется если ему в данный времени выделяется процессор. Процесс находится в состоянии готовности если он может сразу использовать центральный процессор. Заблокированным если он находится в состоянии ожидания . В одно процессорной машине в каждый момент времени может реально выполнятся только один процесс , в состоянии готовности могут находится несколько процессов. Благодаря этому можно создать список  готовых к выполнению процессов  который упорядочевается по приоритету. Так что ЦП выполняетт самый приоритетный процесс. Список заблокированых процессов не упорядочен. Разблокировка в порядке той очереди как они заблокированы. Когда в систему поступает некоторое задание она создает соответствующий процесс  который затем устанавливается в конец списка готовых процессов этот процесс постепенно продвигается к главной части списка по мере завершения выполнения предыдущих процессов. Когда процесс оказывается первым и когда освобождается ЦП то говорят что происходит смена состояния процессора   . Который в свою очередь переходит в состояние выполнения. ГОТОВНОСТЬ –запускàПЕРЕХОД В ФАЗУ ВЫПОЛНЕНИЯ –-блокировкаà БЛОКИРОВАНИЕ –пробуждениеàПРИОСТАНОВКА* ГОТОВНОТЬ –возобновление процессаàГОТОВНОСТЬ . Предоставление ЦП первому процессу списка готовых процессов называется запуском. Или выбором процесса для выполнения (это производится системной программой диспетчером). Ос в таймере прерываний определяет временной интервал (квант времени)  в течении которого данному процессу пользователя разрешается занимать центральный процессор. Если процесс не освобождает ЦП до указанного времени то таймер вырабатывает сигнал прерывания  по которому управление будет передано ОС. Представителем процессов в ОС явл-ся блок управления процессом(БУП). Это структура данных содержащая следующую инфу- текущее состояние процессора , уникальный идентификатор процесса, приоритет процесса, указатели памяти процесса, указатели выделеных процессу ресурсов, область сохранения регистров.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6