Файл: Информационные системы и технологии. Функции операционных систем персональных компьютеров..pdf

Микроядерная архитектура

Микроядерная архитектура является альтернативой классическому способу построения операционной системы. Суть микроядерной архитектуры состоит в следующем. В привилегированном режиме остается работать только очень небольшая часть операционной системы, называемая микроядром . Микроядро защищено от остальных частей операционной системы и приложений. В состав микроядра обычно входят машинно-зависимые модули, а также модули, выполняющие базовые (но не все) функции ядра по управлению процессами, обработке прерываний, управлению виртуальной памятью, пересылке сообщений и управлению устройствами ввода-вывода, связанные с загрузкой или чтением регистров устройств. Набор функций микроядра обычно соответствует функциям слоя базовых механизмов обычного ядра. Такие функции операционной системы трудно, если не невозможно, выполнить в пространстве пользователя.

Перенос основного объема функций ядра в пользовательское пространство

Все остальные более высокоуровневые функции ядра оформляются в виде приложений, работающих в пользовательском режиме. Однозначного решения о том, какие из системных функций нужно оставить в привилегированном режиме, а какие перенести в пользовательский, не существует. В общем случае многие менеджеры ресурсов, являющиеся неотъемлемыми частями обычного ядра – файловая система, подсистемы управления виртуальной памятью и процессами, менеджер безопасности и т. п. – становятся «периферийными» модулями, работающими в пользовательском режиме.

Процессы и потоки

Процесс – это исполняемая копия приложения. Например, когда вы открываете приложение MS Word, то запускаете процесс, исполняющий программу MS Word. Поток – отдельное исполняемое задание внутри процесса. Процесс может содержать множество исполняемых потоков. После запуска приложения исполняется главный поток, который далее может порождать другие потоки.

Каждый процесс обладает собственной памятью. Потоки же, которые запущены внутри процесса, разделяют память между собой. Процесс внутри операционной системы обладает собственным идентификатором. Потоки существуют внутри процесса и обладают идентификатором внутри работающего приложения. Каждый из потоков имеет свой собственный стек (он не делит его с другими потоками и другие потоки не могут в него залезть) и собственный набор регистров (поток не изменит значения регистра другого потока во время работы). Часто потоки называют «легковесными» процессами, так как они требуют гораздо меньше ресурсов для работы, чем новый процесс. В зависимости от реализации, обычный настольный компьютер может эффективно использовать от единиц, до десятков тысяч потоков.

Например:

Процесс

• Идентификатор процесса
• Окружение
• Рабочая папка
• Регистры
• Стек
• Куча
• Файловый дескриптор
• Общие библиотеки (dll, so)
• Инструменты межпроцессорного взаимодействия (пайпы, очереди сообщений, семафоры или обобщённая память)
• Специфические для операционной системы ресурсы

Поток

• Stack Pointer (указатель на вершину стека, на самом деле «своего» стека, как у процесса, у потока нет)
• Регистры
• Свойства (необходимые для планировщика, такие как приоритет или политики)
• Специфичные для потока данные
• Специфические для операционной системы ресурсы

Планирование в системах пакетной обработки данных

В различных средах требуются различные алгоритмы планирования. Это связано с тем, что различные операционные системы и различные приложения ориентированы на разные задачи. Другими словами, то, для чего следует оптимизировать планировщик, различно в разных системах. Можно выделить три среды:

1. Системы пакетной обработки данных;
2. Интерактивные системы;
3. Системы реального времени.

 В системах пакетной обработки нет пользователя, сидящего за терминалом и ожидающих ответ. В таких системах приемлемы алгоритмы без переключений или с переключениями, но с большим временем, отводимым каждому процессу. Такой метод уменьшает количество переключений между процессами и улучшает эффективность.
     В интерактивных системах необходимы алгоритмы планирования с переключениями, чтобы предотвратить захват процессора одним процессом. Даже если ни один процесс не захватывает процессор на неопределенно долгий срок намеренно, из-за ошибки в программе один процесс может заблокировать остальные. Для исключения подобных ситуаций используется планирование с переключениями.
     В системах с ограничениями реального времени приоритетность, как это ни странно, не всегда обязательна, поскольку процессы знают, что их время ограничено, и быстро выполняют работу, а затем блокируются. Отличие от интерактивных систем в том, что в системах реального времени работают только программы, предназначенные для содействия конкретным приложениям. Интерактивные системы являются универсальными системами. В них могут работать произвольные программы, не сотрудничающие друг с другом и даже враждебные по отношению друг к другу.

Пример:

Методы распределения

Все методы распределения памяти по критерию использования раз- личных видов запоминающих устройств можно разделить на два класса:

1. В которых используется перемещение сегментов процессов между ОП и диском;
2. В которых внешняя память не привлекается

Существуют различные методы динамического распределения памяти, наиболее известными из которых являются стековый и метод произвольного распределения (распределение в «куче»). При стековом методе динамического распределения памяти на запросы ресурсов памяти выделяется некоторая область свободной оперативной памяти (стек), в которой проводится работа с фрагментами памяти по правилу «последний пришёл - первый вышел». Этот метод обычно выбирается для выделения памяти под локальные переменные блоков и процедур, а также под записи об активации процедур.

При произвольном методе динамического распределения памяти выделение и освобождение фрагментов памяти осуществляется по произвольным запросам без какой-либо системы. Произвольное динамическое распределение памяти может производиться самим разработчиком  программы (т. е. явно) или осуществляться автоматически (т. е. неявно). Динамическое  распределение памяти для переменных, создаваемых по явному запросу, разработчик проводит, как правило, с помощью специальных операторов или библиотечных функций (например, операторы ALLOCATE в языке PL/1, new в Pascal и Ci++, функция malloc в Ci). Эти операторы и функции, в свою очередь, могут использовать возможности операционной системы, а могут производить динамическое распределение памяти самостоятельно, в рамках статически выделенного большого участка памяти.

Автоматическое динамическое распределение памяти осуществляется, если в программе используются такие операции над данными, которые требуют перераспределения памяти, а сами операторы перераспределения в программе отсутствуют [например, операция слияния значений (конкатенации) строковых переменных в языке Basic или в языке Object Pascal]. Также автоматически проводится управление сегментами и страницами памяти в операционных системах, которые для этого могут пользоваться аппаратной поддержкой.

При применении метода произвольного динамического распределения памяти возникает серьёзная проблема освобождения памяти и повторного использования освобождённых фрагментов (т. к. моменты возврата памяти не всегда очевидны, а порядок возврата памяти непредсказуем), которая имеет различные решения в зависимости от метода выделения участков памяти. Например, выделенная ранее память пересматривается с целью обнаружения неиспользуемых фрагментов, а высвобожденная память передаётся для повторного использования.

Организация памяти

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса.

Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее генерации. Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи: сравнивая размер программы, поступившей на выполнение, и свободных разделов, выбирает подходящий раздел, осуществляет загрузку программы и настройку адресов. При очевидном преимуществе – простоте реализации – данный метод имеет существенный недостаток - жесткость. Так как в каждом разделе может выполняться только одна программа, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов независимо от того, какой размер имеют программы. Даже если программа имеет небольшой объем, она будет занимать весь раздел, что приводит к неэффективному использованию памяти. С другой стороны, даже если объем оперативной памяти машины позволяет выполнить некоторую программу, разбиение памяти на разделы не позволяет сделать этого.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток – фрагментация памяти. Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших, либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область. В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется «сжатием». Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором – реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом. Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на свопинг страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти. С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. В среднем на каждой программе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в «быстрых» запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что программа может загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.

Защита данных в процессорах

Во всякой операционной системе, обслуживающей одного или нескольких пользователей, должны быть предусмотрены средства, обеспечивающие защиту отдельного пользователя от возможных несанкционированных действий других пользователей и защиту системных файлов ОС, необходимых для работы самой ОС, от ошибочных действий пользователей

Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.