Лекции по Основам ВТ

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. (((СХЕМА (((.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 прерываний(сохранение контекста проги( (обработка

прерываний программы (вост-е программы(переход 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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8