Файл: Курс лекций по дисциплине Операционные системы 2 Содержание.pdf

1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Карачаево-Черкесский государственный университет им. У.Д. Алиева»
Физико-математический факультет
Кафедра информатики и вычислительной математики
Курс лекций по дисциплине
«Операционные системы»

2
Содержание
Лекция 1 ......................................................................................................................................... 5
Тема: Назначение и функционирование ОС ............................................................................ 5
1. Назначение ОС .......................................................................................................................... 5
2. История ОС .............................................................................................................................. 6
3. Аппаратное обеспечение компьютера ................................................................................. 9
4. Типы ОС ................................................................................................................................... 11
4.1. ОС мэйнфреймов (больших универсальных машин) ................................................................. 11 4.2. Серверные ОС ................................................................................................................................ 11 4.3. Многопроцессорные ОС ............................................................................................................... 11 4.4. ОС для ПК ...................................................................................................................................... 12 4.5. ОС реального времени ................................................................................................................... 12 4.6. Встроенные ОС .............................................................................................................................. 12 4.7. ОС для смарт-карт ......................................................................................................................... 12
5. Понятия ОС ............................................................................................................................ 12
5.1. Процессы ........................................................................................................................................ 12 5.2. Взаимоблокировка ......................................................................................................................... 13 5.3. Управление памятью ..................................................................................................................... 13 5.4. Ввод-вывод данных ....................................................................................................................... 13 5.5.Файлы ............................................................................................................................................... 13 5.6. Безопасность ................................................................................................................................... 13 5.7. Оболочка ......................................................................................................................................... 14 5.8. Системные вызовы......................................................................................................................... 14 5.9. Интерфейс прикладного программирования Windows API ..................................................... 14
Лекция 2 ....................................................................................................................................... 16
Тема: Структура ОС ................................................................................................................. 16
1. Монолитные системы ....................................................................................................................... 16 2. Многоуровневые системы ................................................................................................................ 17 3. Микроядра ......................................................................................................................................... 18 4. Модель клиент-сервер ...................................................................................................................... 19 5. Виртуальные машины ...................................................................................................................... 19 6. Зкзоядро ............................................................................................................................................. 20
Лекция 3 ....................................................................................................................................... 21
Тема: Процессы и потоки ......................................................................................................... 21
1. Процессы ........................................................................................................................................... 21 2. Потоки ................................................................................................................................................ 24 3. Реализация потоков .......................................................................................................................... 25
3.1. Реализация потоков в пространстве пользователя ............................................................................. 25

3
3.2. Реализация потоков в ядре ...................................................................................................................... 27
3.3. Гибридная реализация .............................................................................................................................. 28
Лекция 4 ....................................................................................................................................... 30
Тема: Планирование процессов и потоков ............................................................................ 30
1. Планирование .................................................................................................................................... 30 2. Планирование в пакетных системах ............................................................................................... 32
2.1. Первым пришел - первым обслужен ........................................................................................................ 32
2.2. Сначала самое короткое задание ............................................................................................................ 32
2.3. Приоритет наименьшему времени выполнения ..................................................................................... 32 3. Планирование в интерактивных системах ..................................................................................... 33
3.1. Циклическое планирование ....................................................................................................................... 33
3.2. Приоритетное планирование .................................................................................................................. 34
3.3. Использование нескольких очередей ........................................................................................................ 35
3.4. Выбор следующим самого короткого процесса ..................................................................................... 35
3.5. Гарантированное планирование .............................................................................................................. 35
3.6. Лотерейное планирование ....................................................................................................................... 36
3.7. Справедливое планирование ..................................................................................................................... 36 4. Планирование в системах реального времени ............................................................................... 37 6. Приоритетное планирование потоков в ОС Windows ................................................................... 39
Лекция 5 ....................................................................................................................................... 41
Тема: Управление памятью ..................................................................................................... 41
1. Основное управление памятью ....................................................................................................... 41 2. Однозадачная система без подкачки на диск ................................................................................. 42 3. Многозадачность с фиксированными разделами .......................................................................... 42 4. Распределение памяти динамическими разделами ...................................................................... 43
Лекция 6 ....................................................................................................................................... 48
Тема: Управление памятью: методы с использованием внешней памяти (свопинг и
виртуальная память) ................................................................................................................ 48
1. Свопинг (подкачка) .......................................................................................................................... 48
1.1. Управление памятью с помощью битовых массивов ........................................................................... 49
1.2. Управление памятью с помощью связных списков ............................................................................... 49 2. Виртуальная память .......................................................................................................................... 50
2.1. Страничная организация памяти ........................................................................................................... 51
Лекция 7 ....................................................................................................................................... 54
Тема: Управление вводом-выводом ......................................................................................... 54
1. Устройства ввода-вывода .................................................................................................... 54
Контроллеры устройств ................................................................................................................................ 54
Отображаемый на адресное пространство ввод-вывод ............................................................................ 55
Принципы программного обеспечения ввода-вывода ................................................................................... 55
Программный ввод-вывод ............................................................................................................................... 56
Управляемый прерываниями ввод-вывод ....................................................................................................... 56
Ввод-вывод с использованием DMA ................................................................................................................ 57
2. Программные уровни ввода-вывода ..................................................................................... 57
Обработчики прерываний ............................................................................................................................... 57
Драйверы устройств ....................................................................................................................................... 58
Независимое от устройств программное обеспечение ввода-вывода ....................................................... 59
Программное обеспечение ввода-вывода пространства пользователя ..................................................... 59
Лекция 8-9 .................................................................................................................................... 61

4
Тема: Файловая система .......................................................................................................... 61
1. Файлы ....................................................................................................................................... 61
Структура файла ................................................................................................................................... 62
Типы файлов .......................................................................................................................................... 62
Доступ к файлам .................................................................................................................................. 63
Атрибуты файла .................................................................................................................................... 63
Операции с файлами ............................................................................................................................. 63
2. Каталоги .................................................................................................................................. 64
Имя пути ................................................................................................................................................ 64
Операции с каталогами ........................................................................................................................ 65
3. Реализация файловой системы ........................................................................................... 65
Структура файловой системы .............................................................................................................. 65
Реализация файлов ................................................................................................................................ 65
4. Реализация каталогов ........................................................................................................... 67
Лекция 10-11 ................................................................................................................................ 68
Тема: Обеспечение безопасности системы ......................................................................... 68
1. Понятие информационной безопасности ....................................................................................... 68 2. Аутентификация пользователей ...................................................................................................... 69 3. Атаки изнутри системы .................................................................................................................... 70 4. Атаки системы снаружи ................................................................................................................... 70
Лекция 12-13 ................................................................................................................................ 74
Тема: Механизмы защиты ....................................................................................................... 74
1. Механизмы защиты .......................................................................................................................... 74
1.1. Домены защиты ........................................................................................................................................ 74
1.2. Списки управления доступом .................................................................................................................. 76
1.3. Перечни возможностей ........................................................................................................................... 77 2. Надежные системы ........................................................................................................................... 78
2.1. Высоконадежная вычислительная база ................................................................................................. 78
2.2. Формальные модели защищенных систем ............................................................................................. 79
2.3. Многоуровневая защита .......................................................................................................................... 79
Лекция 14-15 ................................................................................................................................ 82
Тема: Системный реестр ......................................................................................................... 82
1. Назначение и структура реестра ...................................................................................................... 82 2. Средства управления реестром ........................................................................................................ 85
Лекция 16-17 ................................................................................................................................ 87

5
Лекция 1
Тема: Назначение и функционирование ОС
План:
1. Назначение ОС
2. История ОС
3. Аппаратное обеспечение компьютера
4. Типы ОС
5. Понятия ОС
Литература:
1. Таненбаум Э. Современные операционные системы. – 3-е издание. – СПб.:
Питер, 2010. Гл. 1. с. 22-96.
2. Гордеев А.В. Операционные системы– 2-е издание. – СПб.: Питер, 2004. Гл. 1. с. 11-49.
1. Назначение ОС
Современная компьютерная система состоит из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти, дисков, клавиатуры, монитора, принтеров, сетевого интерфейса и других устройств, то есть является сложной комплексной системой. Написание программ, которые следят за всеми компонентами, корректно используют их и при этом работают оптимально, представляет собой крайне трудную задачу. По этой причине компьютеры оснащаются специальным уровнем программного обеспечения, называемым
операционной системой. Операционная система отвечает за управление всеми перечисленными устройствами и обеспечивает пользователя имеющими простой, доступный интерфейс программами для работы с аппаратурой.
Рис. 1. Структура компьютерной системы
Самый нижний уровень содержит физические устройства, состоящие из интегральных микросхем, проводников, источников питания и т.п. Выше расположен микроархитектурный уровень, на котором физические устройства рассматриваются с точки зрения функциональных единиц. Обычно на этом уровне находятся внутренние регистры центрального процессора и арифметико-логическое устройство. Команды, видимые для работающего на ассемблере программиста, формируют уровень ISA
(Instruction Set Architecture –архитектура системы команд), часто называемый машинным
языком. Обычно машинный язык содержит от 50 до 300 команд, служащих преимущественно для перемещения данных по компьютеру, выполнения арифметических операций и сравнения величин. Управление устройствами на этом уровне осуществляется с помощью загрузки определенных величин в специальные регистры устройств. На практике нужно передавать большое количество параметров, а статус операции, возвращаемой диском, достаточно сложен.

6
ОС – наиболее фундаментальная часть программного обеспечения, работающая в
режиме ядра (этот режим называют еще режимом супервизора). В этом режиме она имеет доступ ко всему аппаратному обеспечению и может задействовать любую инструкцию, которую машина в состоянии выполнить. Вся остальная часть программного обеспечения работает в режиме пользователя, в котором доступно лишь подмножество инструкций машины. В частности, программам, работающим в режиме пользователя, запрещено использование инструкций, управляющих машиной или осуществляющих операции ввода-вывода – I/O (Input/Output).
Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности. Она состоит из уровня программного обеспечения, который частично избавляет от необходимости общения с аппаратурой напрямую, вместо этого предоставляя программисту более удобную систему команд.
Операционные системы выполняют две основные функции: расширение возможностей машины и управление еѐ ресурсами.
ОС как расширенная машина
Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляющая простой список поименованных файлов, которые можно читать и записывать, и является
ОС.
ОС как менеджер ресурсов
ОС – это механизм, присутствующий в устройстве компьютера для управления всеми частями этой сложнейшей машины. Работа ОС заключается в обеспечение организованного и контролируемого распределения процессоров, памяти и устройств ввода-вывода между различными программами, состязающимися за право их использовать.
Сторонники этого взгляда на ОС считают, что еѐ первичной задачей является отслеживание, какой программой какой ресурс используется, чтобы удовлетворять запросы на использование ресурсов, нести ответственность за их использование и принимать решения по конфликтующим запросам от различных программ и пользователей.
Управление ресурсами включает в себя их мультиплексирование (распределение) двумя способами: во времени и в пространстве. Когда ресурс распределяется по времени, различные пользователи и программы используют его по очереди. Определение того, как долго ресурс будет использоваться во времени, кто будет следующим и на какое время ему предоставляется ресурс – это задача операционной системы. Другой вид распределения – это пространственное мультиплексирование. Вместо поочередной работы каждый клиент получает часть ресурса. Обычно оперативная память разделяется между несколькими работающими программами, так что все они одновременно могут постоянно находиться в памяти (например, использовать ЦП по очереди). При этом возникают проблемы справедливого распределения, защиты памяти и т.д., и для разрешения подобных вопросов существует операционная система. Другой ресурс, распределяемый пространственно, - это диск (жесткий).
Первый настоящий цифровой компьютер был изобретен английским математиком
Чарльзом Бэббиджем (1792-1871). Хотя большую часть жизни он посвятил попыткам создания своей «аналитической машины», он так и не смог заставить еѐ работать должным образом. Это была чисто механическая машина, а технологии того времени не были достаточно развиты для изготовления многих деталей и механизмов высокой точности.
2. История ОС
Так как ОС появились и развивались в процессе конструирования компьютеров, то эти события исторически тесно связаны.
Первое поколение (1945-55): электронные лампы и коммутационные панели.