Управление аппаратными ресурсами

 

 

Содержание

 

 

 

I.  Управление аппаратными ресурсами

• Управление памятью
• Виртуальная память
• Аппаратно-независимый уровень управления памятью
• Страничное замещение основной памяти и swapping
• Управление процессами и нитями
• Пользовательская и ядерная составляющие процессов
• Принципы организации многопользовательского режима
• Традиционный механизм управления процессами на уровне пользователя
• Понятие нити (threads)
• Подходы к организации нитей и управлению ими в разных вариантах ОС UNIX
• Управление вводом/выводом
• Системные вызовы для управления вводом/выводом
• Блочные драйверы
• Символьные драйверы
• Потоковые драйверы

II. Состояние процессов

III. Использованная литература.

 

 

 

 

 

 

 

1. Управление локальными ресурсами

Важнейшей функцией операционной системы является организация рационального использования всех аппаратных и программных ресурсов системы. К основным ресурсам могут быть отнесены: процессоры, память, внешние устройства, данные и программы. Располагающая одними и теми же ресурсами, но управляемая различными ОС, вычислительная система может работать с разной степенью эффективности. Поэтому знание внутренних механизмов операционной системы позволяет косвенно судить о ее эксплуатационных возможностях и характеристиках.

 

Управление памятью

Основная (или как ее принято называть в отечественной литературе и документации, оперативная) память всегда была и остается до сих пор наиболее критическим ресурсом компьютеров. Если учесть, что большинство современных компьютеров обеспечивает 32-разрядную адресацию в пользовательских программах, и все большую силу набирает новое поколение 64-разрядных компьютеров, то становится понятным, что практически безнадежно рассчитывать, что когда-нибудь удастся оснастить компьютеры основной памятью такого объема, чтобы ее хватило для выполнения произвольной пользовательской программы, не говоря уже об обеспечении мультипрограммного режима, когда в основной памяти, вообще говоря, могут одновременно содержаться несколько пользовательских программ.

Поэтому всегда первичной функцией всех операционных систем (более точно, операционных систем, обеспечивающих режим мультипрограммирования) было обеспечение разделения основной памяти между конкурирующими пользовательскими процессами. Мы не будем здесь слишком сильно вдаваться в историю этого вопроса. Заметим лишь, что применявшаяся техника распространяется от статического распределения памяти (каждый процесс пользователя должен полностью поместиться в основной памяти, и система принимает к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещаются в основной памяти), с промежуточным решением в виде "простого своппинга" (система по-прежнему располагает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю память и заменяет его в основной памяти образом некоторого другого процесса), до смешанных стратегий, основанных на использовании "страничной подкачки по требованию" и развитых механизмов своппинга.

Операционная система UNIX начинала свое существование с применения очень простых методов управления памятью (простой своппинг), но в современных вариантах системы для управления памятью применяется весьма изощренная техника.

Виртуальная память

Идея виртуальной памяти далеко не нова. Сейчас многие полагают, что в основе этой идеи лежит необходимость обеспечения (при поддержке операционной системы) видимости практически неограниченной (32- или 64-разрядной) адресуемой пользовательской памяти при наличии основной памяти существенно меньших размеров. Конечно, этот аспект очень важен. Но также важно понимать, что виртуальная память поддерживалась и на компьютерах с 16-разрядной адресацией, в которых объем основной памяти зачастую существенно превышал 64 Кбайта.

Вспомните хотя бы 16-разрядный компьютер PDP-11/70, к которому можно было подключить до 2 Мбайт основной памяти. Другим примером может служить выдающаяся отечественная ЭВМ БЭСМ-6, в которой при 15-разрядной адресации 6-байтовых (48-разрядных) машинных слов объем основной памяти был доведен до 256 Кбайт. Операционные системы этих компьютеров тем не менее поддерживали виртуальную память, основным смыслом которой являлось обеспечение защиты пользовательских программ одной от другой и предоставление операционной системе возможности динамически гибко перераспределять основную память между одновременно поддерживаемыми пользовательскими процессами.

Хотя известны и чисто программные реализации виртуальной памяти, это направление получило наиболее широкое развитие после получения соответствующей аппаратной поддержки. Идея аппаратной части механизма виртуальной памяти состоит в том, что адрес памяти, вырабатываемый командой, интерпретируется аппаратурой не как реальный адрес некоторого элемента основной памяти, а как некоторая структура, разные поля которой обрабатываются разным образом.

В наиболее простом и наиболее часто используемом случае страничной виртуальной памяти каждая виртуальная память (виртуальная память каждого процесса) и физическая основная память представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. Для удобства реализации размер страницы всегда выбирается равным числу, являющемуся степенью 2. Тогда, если общая длина виртуального адреса есть N (в последние годы это тоже всегда некоторая степень 2 - 16, 32, 64), а размер страницы есть 2M), то виртуальный адрес рассматривается как структура, состоящая из двух полей: первое поле занимает (N-M+1) разрядов адреса и задает номер страницы виртуальной памяти, второе поле занимает (M-1) разрядов и задает смещение внутри страницы до адресуемого элемента памяти (в большинстве случаев - байта). Аппаратная интерпретация виртуального адреса показана на рисунке 3.1.

Рисунок иллюстрирует механизм на концептуальном уровне, не вдаваясь в детали по поводу того, что из себя представляет и где хранится таблица страниц. Мы не будем рассматривать возможные варианты, а лишь заметим, что в большинстве современных компьютеров со страничной организацией виртуальной памяти все таблицы страниц хранятся в основной памяти, а быстрота доступа к элементам таблицы текущей виртуальной памяти достигается за счет наличия сверхбыстродействующей буферной памяти (кэша).

Для полноты изложения, но не вдаваясь в детали, заметим, что существуют две другие схемы организации виртуальной памяти: сегментная и сегментно-страничная. При сегментной организации виртуальный адрес по-прежнему состоит из двух полей - номера сегмента и смещения внутри сегмента. Отличие от страничной организации состоит в том, что сегменты виртуальной памяти могут быть разного размера. В элементе таблицы сегментов помимо физического адреса начала сегмента (если виртуальный сегмент содержится в основной памяти) содержится длина сегмента. Если размер смещения в виртуальном адресе выходит за пределы размера сегмента, возникает прерывание. Понятно, что компьютер с сегментной организацией виртуальной памяти можно использовать как компьютер со страничной организацией, если использовать сегменты одного размера.

Рис. 3.1. Схема страничной организации виртуальной памяти

При сегментно-страничной организации виртуальной памяти происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический. В этом случае виртуальный адрес состоит из трех полей: номера сегмента виртуальной памяти, номера страницы внутри сегмента и смещения внутри страницы. Соответственно, используются две таблицы отображения - таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Схема сегментно-страничной организации виртуальной памяти

Сегментно-страничная организация виртуальной памяти позволяла совместно использовать одни и те же сегменты данных и программного кода в виртуальной памяти разных задач (для каждой виртуальной памяти существовала отдельная таблица сегментов, но для совместно используемых сегментов поддерживались общие таблицы страниц).

В дальнейшем рассмотрении мы ограничимся проблемами управления страничной виртуальной памяти. С небольшими коррективами все обсуждаемые ниже методы и алгоритмы относятся и к сегментной, и сегментно-страничной организациям.

Как же достигается возможность наличия виртуальной памяти с размером, существенно превышающим размер оперативной памяти? В элементе таблицы страниц может быть установлен специальный флаг (означающий отсутствие страницы), наличие которого заставляет аппаратуру вместо нормального отображения виртуального адреса в физический прервать выполнение команды и передать управление соответствующему компоненту операционной системы. Английский термин "demand paging" (листание по требованию) достаточно точно характеризует функции, выполняемые этим компонентом. Когда программа обращается к виртуальной странице, отсутствующей в основной памяти, т.е. "требует" доступа к данным или программному коду, операционная система удовлетворяет это требование путем выделения страницы основной памяти, перемещения в нее копии страницы, находящейся во внешней памяти, и соответствующей модификации элемента таблицы страниц. После этого происходит "возврат из прерывания", и команда, по "требованию" которой выполнялись эти действия, продолжает свое выполнение.

Наиболее ответственным действием описанного процесса является выделение страницы основной памяти для удовлетворения требования доступа к отсутствующей в основной памяти виртуальной странице. Напомним, что мы рассматриваем ситуацию, когда размер каждой виртуальной памяти может существенно превосходить размер основной памяти. Это означает, что при выделении страницы основной памяти с большой вероятностью не удастся найти свободную (не приписанную к какой-либо виртуальной памяти) страницу. В этом случае операционная система должна в соответствии с заложенными в нее критериями (совокупность этих критериев принято называть "политикой замещения", а основанный на них алгоритм замещения - "алгоритмом подкачки") найти некоторую занятую страницу основной памяти, переместить в случае надобности ее содержимое во внешнюю память, должным образом модифицировать соответствующий элемент соответствующей таблицы страниц и после этого продолжить процесс удовлетворения доступа к странице.

Существует большое количество разнообразных алгоритмов подкачки. Объем этого курса не позволяет рассмотреть их подробно. Соответствующий материал можно найти в изданных на русском языке книгах по операционным системам Цикритзиса и Бернстайна, Дейтела и Краковяка. Однако, чтобы вернуться к описанию конкретных методов управления виртуальной памятью, применяемых в ОС UNIX, мы все же приведем некоторую краткую классификацию алгоритмов подкачки.

Во-первых, алгоритмы подкачки делятся на глобальные и локальные. При использовании глобальных алгоритмов операционная система при потребности замещения ищет страницу основной памяти среди всех страниц, независимо от их принадлежности к какой-либо виртуальной памяти. Локальные алгоритмы предполагают, что если возникает требование доступа к отсутствующей в основной памяти странице виртуальной памяти ВП1, то страница для замещения будет искаться только среди страниц основной памяти, приписанных к той же виртуальной памяти ВП1.

Наиболее распространенными традиционными алгоритмами (как в глобальном, так в локальном вариантах) являются алгоритмы FIFO (First In First Out) и LRU (Least Recently Used). При использовании алгоритма FIFO для замещения выбирается страница, которая дольше всего остается приписанной к виртуальной памяти. Алгоритм LRU предполагает, что замещать следует ту страницу, к которой дольше всего не происходили обращения. Хотя интуитивно кажется, что критерий алгоритма LRU является более правильным, известны ситуации, в которых алгоритм FIFO работает лучше (и, кроме того, он гораздо более дешево реализуется).

Заметим еще, что при использовании глобальных алгоритмов, вне зависимости от конкретного применяемого алгоритма, возможны и теоретически неизбежны критические ситуации, которые называются по-английски thrashing (несмотря на множество попыток, хорошего русского эквивалента так и не удалось придумать). Рассмотрим простой пример. Пусть на компьютере в мультипрограммном режиме выполняются два процесса - П1 в виртуальной памяти ВП1 и П2 в виртуальной памяти ВП2, причем суммарный размер ВП1 и ВП2 больше размеров основной памяти. Предположим, что в момент времени t1 в процессе П1 возникает требование виртуальной страницы ВС1. Операционная система обрабатывает соответствующее прерывание и выбирает для замещения страницу основной памяти С2, приписанную к виртуальной странице ВС2 виртуальной памяти ВП2 (т.е. в элементе таблицы страниц, соответствующем ВС2, проставляется флаг отсутствия страницы). Для полной обработки требования доступа к ВС1 в общем случае потребуется два обмена с внешней памятью (первый, чтобы записать текущее содержимое С2, второй - чтобы прочитать копию ВС1). Поскольку операционная система поддерживает мультипрограммный режим работы, то во время выполнения обменов доступ к процессору получит процесс П2, и он, вполне вероятно, может потребовать доступа к своей виртуальной странице ВС2 (которую у него только что отняли). Опять будет обрабатываться прерывание, и ОС может заменить некоторую страницу основной памяти С3, которая приписана к виртуальной странице ВС3 в ВП1. Когда закончатся обмены, связанные с обработкой требования доступа к ВС1, возобновится процесс П1, и он, вполне вероятно, потребует доступа к своей виртуальной странице ВС3 (которую у него только что отобрали). И так далее. Общий эффект состоит в том, что непрерывно работает операционная система, выполняя бесчисленные и бессмысленные обмены с внешней памятью, а пользовательские процессы П1 и П2 практически не продвигаются.