Операционная система компьютера

К магистрали компьютера подключаются различные устройства (дисководы, монитор, клавиатура, мышь, принтер и др.). В состав операционной системы входят драйверы устройств — специальные  программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими  устройствами. Любому устройству соответствует  свой драйвер.

 

 

 

Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс. В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды посредством мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

Операционная система  содержит также сервисные программы, или утилиты. Такие программы  позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и т. д.), выполнять операции с файлами (архивировать и т. д.), работать в компьютерных сетях и т. д.

Для удобства пользователя в операционной системе обычно имеется  и справочная система. Она предназначена  для оперативного получения необходимой  информации о функционировании как  операционной системы в целом, так  и о работе ее отдельных модулей.

C точки зрения пользователя, все современные операционные  системы персональных компьютеров  очень похожи друг на друга.  Они предлагают общее средство  диалога человека с компьютером  – графический объектный интерфейс  пользователя. Интерфейсом пользователя  называется программно реализованные  средства общения человека и  компьютера. В системах с графическим  интерфейсом пользователь управляет  компьютером, выбирая мышью нужные  пункты меню, кнопки, значки и  другие элементы интерфейса. Если  для управления компьютером используются  команды на специальном языке,  вводимые с клавиатуры, то такой  интерфейс называется командным.

Основными объектами графического интерфейса операционных систем являются рабочий стол, занимающий весь экран  монитора, и расположенные на нем  значки, окна и панель задач.

 

 

Управление задачами и памятью в операционных системах

• Оперативная память

Оперативная  память – это важнейший ресурс  любой вычислительной  системы, поскольку без нее, как и без центрального процессора, невозможно выполнение ни одной программы.  Память  является  разделяемым ресурсом.  Способы разделения  памяти  и времени центрального процессора сильно влияют на скорость выполнения отдельных вычислений и на общую эффективность вычислительной системы.

ОС выполняет следующие  основные функции, связанные  с управлением  задачами:

• создание и удаление задач;
• планирование процессов и диспетчеризация задач;
• синхронизация задач, обеспечение их средствами         коммуникации.

Система управления задачами обеспечивает похождение их через компьютер. В зависимости от состояния процесса ему должен быть предоставлен тот  или иной ресурс. Создание  и  удаление  задач  производится  по  соответствующим  запросам  от пользователей или  самих задач. Основным подходом к  организации того или иного метода управления процессами является организация  очередей процессов и ресурсов.

На  распределение  ресурсов  влияют  конкретные  потребности  тех  задач,  которые должны выполняться параллельно.

Задачи  динамического  планирования,  т.е.  наиболее  эффективного  распределения ресурсов,  возникающие  практически  при  каждом  событии,  называются диспетчеризацией.

 

 Планирование  осуществляется  реже,  чем задача  текущего распределения ресурсов между уже выполняющимися процессами и потоками. Различие между долгосрочным и краткосрочным планированием заключается в частоте запуска.

Долгосрочный планировщик  решает, какой из процессов, находящихся  во входной очереди, должен быть переведен  в очередь готовых к выполнению процессов в случае освобождения ресурсов памяти. В очереди готовых  к выполнению процессов должны находиться в равной пропорции процессы, ориентированные  на ввод/вывод, и процессы, ориентированные  на работу центрального процессора.

Краткосрочный  планировщик  решает,  какая  из  задач,  находящихся  в  очереди готовых  к  выполнению,  должна  быть  передана  на  выполнение.  В  большинстве современных  ОС долгосрочный планировщик отсутствует.

• Виртуальная память

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных  операционных системах является так  называемая виртуальная память. Наличие  в ОС механизма виртуальной памяти позволяет программисту писать программу  так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная  память большого объема, часто существенно  превышающего объем имеющейся физической памяти. В действительности все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости  частями (сегментами или страницами) отображаются в физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и  диском подсистема виртуальной памяти выполняет трансляцию виртуальных  адресов, полученных в результате компиляции и компоновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Защита памяти

Защита памяти – это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Правильно написанные программы не пытаются обращаться к памяти, назначенной другим. Однако реальные программы часто содержат ошибки, в результате которых такие попытки иногда предпринимаются. Средства защиты памяти, реализованные в операционной системе , должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.

Таким образом, функциями  ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой  памяти; выделение памяти процессам  и освобождение памяти при завершении процессов; защиты памяти; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные понятия  и концепции организации ввода/вывода

Управление вводом/выводом  – одна из основных функций любой операционной системы.

Главный  принцип  ввода/вывода – любые  операции  по  управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только самой ОС. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров вводятся два режима:

1. Режим пользователя, выполнение команд ввода/вывода запрещено;
2. Режим супервизора, выполнение команд ввода/вывода разрешено.

Использование  команд  ввода/вывода  в  пользовательском  режиме  вызывает исключение (прерывание) и управление передается ОС.

Для  мультипрограммных  ОС  одним  из  основных  видов  ресурсов  являются устройства  ввода/вывода  и  обслуживающие  их  программы.  ОС  должны  управлять разделяемыми  и  неразделяемыми  устройствами  и  позволять  параллельно выполняющимися задачам использовать различные устройства ввода/вывода.

Непосредственное  обращение  к  внешним  устройствам  из пользовательских программ не разрешено по трем причинам:

1. возможные конфликты при доступе к устройствам ввода/вывода;
2. повышение эффективности использование этих ресурсов;
3. ошибки в программах ввода/вывода могут привести к разрушению системы.

 

 

Компонента  ОС,  выполняющая  ввод/вывод  называется  супервизором ввода/вывода. Основные задачи супервизора  следующие:

• получение, проверка на корректность и выполнение запросов на ввод/вывод от прикладных задач и от модулей самой системы;
• планирование ввода/вывода: выполнение или постановка в очередь;
• инициирование ввода/вывода – передача управления драйверам;
• при получении сигналов прерывания передача управления соответствующей программе обработки прерывания;
• передача сообщений об ошибках, если они появляются;
• передача сигнала о завершении операции ввода/вывода.

Если устройство ввода/вывода является инициативным, управление со стороны супервизора  ввода/вывода  заключается  в  активизации  соответствующего вычислительного  процесса.  Инициативное  устройство –  устройство,  по  сигналу прерывания от которого запускается соответствующая ему программа. 

Имеются два основных режима ввода/вывода:

1. Режим обмена с опросом готовности;
2. Режим обмена с прерываниями.

Центральный  процессор  посылает  устройству  управления  команду  для ввода/вывода.  Устройство  ввода/вывода  исполняет  команду,  преобразуя  ее  в  сигнал, понятный  устройству  ввода/вывода.  Устройства  ввода/вывода  намного  медленнее центрального процессора, поэтому сигнал готовности приходится очень долго ждать, постоянно  опрашивая  устройство  интерфейса.

 

 В  режиме  опроса  готовности  драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, выполняет в цикле команду «поверить  готовность  устройства».  Центральный  процессор  в  таком  режиме используется нерационально.

Режим  обмена  с  прерываниями  является  режимом  асинхронного  управления. Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программ и могут иметь несколько секций:

• секцию  запуска,  которая  инициирует  операцию  ввода/вывода,  включает устройство или инициирует очередь ввода/вывода;
• одну или несколько секций продолжения, которые являются обработчиками  прерываний;
• секцию завершения, которая выключает устройство и завершает операцию.

Для организации использования  многими параллельно выполняющимися задачами устройств  ввода/вывода,  которые  не  могут  быть  разделяемыми,  введено  понятие виртуального  устройства (спулинга).  Главная  задача  спулинга –  создать  видимость параллельного  разделения  устройства  ввода/вывода  с  последовательным  доступом, которое  должно  быть  монопольным  и  быть  закрепленным.  Например,  каждому вычислительному процессу можно предоставить не реальный, а виртуальный принтер, и поток  выводимых  символов  сначала  направить  в  файл  на  диске. 

По  окончанию виртуальной  печати  в  соответствии  с  дисциплиной  обслуживания  и  приоритетами приложений  содержимое  спул  файла  выводится  на принтер.  Системный процесс, управляющий спул файлом, называется спулером.

 

Синхронный ввод/вывод  характеризуется тем, что задача, выдавшая запрос на операцию ввода/вывода, переводится супервизором в состояние ожидания завершения указанной операции. Когда  супервизор получает от секции завершения сообщение о завершении,  он  переводит  задачу  в  состоянье  готовности  к  выполнению,  и  она продолжает  свою  работу.  Синхронный  ввод/вывод  является  стандартным  для большинства ОС.

Простейший вариант асинхронного вывода – буферизованный вывод данных на внешнее устройство, при котором данные из приложения передаются не непосредственно на устройство ввода/вывода, а в специальный системный буфер. В этом случае логически операция вывода считается законченной, и задача может не ожидать реального процесса вывода  данных  на  устройство.  Процессом  реального  вывода  занимается  супервизор ввода/вывода. Асинхронный вывод возможен при наличии двух условий:

• в запросе на вывод было указано на необходимость буферизации данных;
• устройство вывода допускает асинхронные операции.

Для организации асинхронного ввода необходимо:

• выделить область памяти для временного хранения считываемых с устройства данных;
• связать выделенный буфер с задачей, заказавшей операцию ввода;
• запрос на операцию ввода разбить на две части (два запроса).

 

 

 

В  первом  запросе  указывается  операция  на  ввод  данных,  как  при  асинхронном вводе, и имя буфера для вводимых данных. После этого задача продолжает выполнение или  переводится  в  режим  ожидания  выполнения,  но   не  переводится в ожидания завершения  операции  ввода/вывода,  как  при  асинхронном  вводе.  После  выполнения некоторого  объема  программного  кода  задача  выдает  второй  запрос  на  завершение операции ввода и, если операция ввода данных завершена к этому времени, то выбирает данные  из  системного  буфера,  если  операция  ввода  не  завершена,  то  задача приостанавливается до завершения ввода, как при асинхронном вводе.

Накопители на магнитных  дисках обладают крайне низкой скоростью по сравнению с  быстродействием  центральной  части  процессора.  С  учетом  того,  что операции чтения/записи на диск производятся несколькими большими буферами, средняя скорость работы процессора с оперативной памятью на 2 – 3 порядка выше, чем скорость передачи данных из внешней памяти на магнитных дисках в оперативную память. Чтобы сгладить такое  несоответствие  в  производительности  основных  подсистем,  используется буферирование и/или кэширование данных.