Файл: Функции операционных систем персональных компьютеров.pdf

Состояние процесса в течении жизненного цикла в ОС:
1.ВЫПОЛНЕНИЕ: интенсивное состояние процесса, в период которого процесс имеет абсолютно все нужные ресурсы и напрямую исполняется процессором.
2.ГОТОВНОСТЬ: кроме того пассивное состояние процесса, однако в данном случае процесс блокирован в связи с внешними по отношению к нему факторами: процесс содержит все без исключения необходимые для него ресурсы, он готов осуществляться, но процессор занят выполнением иного процесса.
3.ОЖИДАНИЕ: бездейственное состояние процесса, процесс блокирован, он никак не способен осуществляться согласно собственным внутренним обстоятельствам, он ожидает реализации определенного действия, к примеру, окончания процедуры ввода-вывода, извлечения информации с иного процесса, избавления какого-либо требуемого ему ресурса.

В ходе жизненного цикла любой процесс переходит из одного состояния в иное в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в этой операторной системе.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе способен присутствовать только лишь один процесс, а в любом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, данные процессы формируют очередности в соответствии с этим ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса наступает с состояния ГОТОВНОСТЬ, если процесс готов к осуществлению и ожидает своей очереди. При активизации процесс переключается в положение ВЫПОЛНЕНИЕ и располагается в нем вплоть до тех периодов, пока или он непосредственно освободит процессор, перейдя в положение ОЖИДАНИЯ какого-нибудь действия, или будет принудительно "вытеснен" с процессора, к примеру, из-за исчерпания назначенного этому процессу кванта процессорного периода. В последнем случае процесс возвратится в положение ГОТОВНОСТЬ. В это же положение процесс переключается из состояния ОЖИДАНИЕ, уже после того, как ожидаемое событие совершится.

Информация о процессе:
• Режим работы процессора.
• Информация об открытых файлах.
• Регистры.
• Состояние внешних устройств.
• Операции ввода – вывода.

Задача планирования процессов складывается из 3-х операций:
1.Определение этапа времени с целью смены, выполняемого в этот период, процесса.
2.Выбор этого процесса из очереди готовности, которому будет передано управление.
3. Переключение контекста (переключение между процессами).
Первые 2 действия производятся на программном уровне (намеренно написанный код) и причисляются к планированию, на третьем месте – в аппаратном уровне и причисляется к диспетчеризации.

Создание хода:
• ОС формирует контекст и дескриптор процесса.
• Загрузка кодового сегмента в оперативную память.
• Дескриптор помещается в очередь процессов, пребывающих в готовности.
С данного этапа разрешается считать, то что процесс начался.

Проанализируем детально вопрос образования процесса. Когда запускается приложение, Операционная Система формирует две информационные структуры: контекст и дескриптор (идентификатор и т.д.). Кодовый элемент грузится в оперативную память (данные о нём заносится в контекст). Далее дескриптор процесса включается в очередь процессов; затем планировщик принимать решение, что процесс должен являться выполненным, а дескриптор процесса находится в очереди готовых процессов. Прежде чем прекратить выполнение процесса, ОС сначала сохраняет его контекст, для того чтобы в последствие использовать данную инструкцию с целью последовательного возобновления. Далее контекст обновляется (переключение контекста) и активный контекст получает информацию о новом процессе. Затем процессу выделяются ресурсы, процессорное период и т.д. При удалении процесса: уничтожается дескриптор и удаляется контекст. Новый процесс способен приобрести дескриптор с тем же номером.

2.2 Управление памятью

Операционная система решает следующие задачи:

Отслеживание свободной и занятой памяти.

Выделение и освобождение памяти по запросам процессов.

Обеспечение настройки адресов.

Поддержка механизма виртуальной памяти

Оперативная память представляет собой важный ресурс вычислительной системы, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая значимость памяти объясняется тем, что процессор способен осуществлять инструкции программы только лишь в том случае, когда они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

Функциями ОС в области управлению памятью в мультипрограммной системе считаются:

1. отслеживание наличия свободной и занятой памяти;
2. выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов;
3. вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (абсолютное либо выборочное), если размеры основной памяти не достаточны чтобы разместить в ней все процессы, и возвращение их в оперативную память, если в ней освобождается место;
4. настройка адресов программы на конкретную область физической памяти;
5. защита памяти процессов от взаимного вмешательства.

В различных стадиях жизненного цикла программы для представления переменных и кодов необходимы три вида адресов: символьные (имена, используемые разработчиком программного обеспечения), виртуальные (условные числа, вырабатываемые компилятором) и физические (адреса фактического размещения в оперативной памяти).

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же.

Виртуальное адресное пространство может быть плоским (линейным) или структурированным.

Следует различать предельно допустимое виртуальное адресное пространство процесса, какое обусловливается только лишь разрядностью виртуального адреса и архитектурой компьютера, и назначенное (выделенное) процессу виртуальное адресное пространство, состоящее из набора виртуальных адресов, действительно необходимых процессу для работы.

Виртуальное адресное пространство процесса разделяется на 2 постоянные составляющие: системную и пользовательскую. Системная составляющая представляет собой общую для абсолютно всех действий, в ней располагаются коды и сведения операционной системы.

Наиболее результативным методом управления памятью считается виртуальная память, вытеснившая в сегодняшних ОС способы распределения памяти фиксированными, динамическими либо перемещаемыми разделами.

Виртуальная память применяет дисковую память с целью преходящего сохранения не помещающихся в оперативную память данных и кодов выполняемых процессов ОС.

В настоящее время любое большое число реализаций виртуальной памяти представлено 3-мя классами:

1. Страничная виртуальная память образует передвижение данных между памятью и диском страницами — частями условного адресного пространства фиксированного и относительно небольшого размера (плюсы — высокая скорость обмена, незначительная степень фрагментации; минусы — трудно осуществить защиту данных, разделенных на части механически);
2. Сегментная виртуальная память учитывает передвижение данных сегментами — частями виртуального адресного пространства свободного размера, приобретенными с учетом смыслового значения данных (плюсы — «осознанность» сегментов упрощает их защиту; минусы — медленное преобразование адреса, высокий уровень фрагментации);
3. Ссегментно-страничная условная воспоминания совмещает плюсы двух предшествующих раскладов.
   Сегменты виртуальной памяти имеют все шансы являться разделяемыми среди несколькими процессами. Разделяемые сегменты используются или для экономии физической памяти, если несколько пользователей работают с одним кодовым сегментом приложения, или в качестве средства обмена данными среди процессов.
   Для ускорения доступа к данным в вычислительных системах обширно применяется принцип кэширования. В компьютерах имеется иерархия запоминающих устройств, в которой нижний уровень занимают емкая, но сравнительно медленная дисковая память, далее располагается оперативная память, а верхний уровень составляет сверхоперативная память процессорного кэша. Каждый уровень памяти (помимо нижнего) выполняет роль кэша по отношению к нижележащему.

Каждая запись в кэш-памяти об элементе данных включает в себя:

1. значение элемента данных;
2. местоположение, которое данный элемент информации имеет в основной памяти;
3. дополнительную информацию, что применяется с целью осуществления алгоритма замещения информации в кэше и как правило содержит критерий модификации и критерий действительности данных.

При ненамеренном показе компонент своевременной памяти способен являться расположен в случайном участке память-памяти . При кэшировании данных из оперативной памяти широко применяют две ключевые схемы отображения: беспорядочное представление и детерминированное представление.. С целью этого для того чтобы в последующем возможно существовало отыскать необходимые сведения в кэше, они вмещаются тама совместно с собственным адресом своевременной памяти.

Во многих нынешних процессорах кэш-память строится на базе сочетания этих двух подходов, что дает возможность найти компромиссное решение среди относительно невысокой стоимостью кэша с прямым отображением и интеллектуальностью алгоритмов замещения в кэше со случайным отображением. Детерминированный (прямой) метод отображения подразумевает, что каждый элемент основной памяти постоянно отображается в одно и то же место кэш-памяти. В данном случае кэш-память разделена на строки, любая из которых предназначена для хранения одной записи об одном составляющем данных и обладает собственным номером.

2.3 Защита памяти

Защита памяти (англ. Memory protection) — данный метод управления правами доступа к отдельным регионам памяти. Применяется основной массой многозадачных операционных систем. Главной целью защиты памяти считается запрет доступа процессу к той памяти, которая никак не выделена для данного процесса. Подобные запреты увеличивают надежность работы равно как программ так и операционных систем, так как ошибка в одной программе никак не способна оказать влияние непосредственно на память других приложений.
Нарушения защиты памяти сопряжены с обращениями процессов к участкам памяти, выделенной другим процессам прикладных программ либо программ самой ОС. Ресурсы защиты памяти обязаны пресекать подобные попытки доступа посредством аварийного завершения программы-нарушителя.

2.4 Управление файлами

Файловая система- такая часть операционной системы, предназначение каковой заключается в том, чтобы гарантировать пользователю удобный интерфейс при работе с информацией, хранящейся на диске, и гарантировать совместное применение файлов несколькими пользователями и процессами.

В широком значении понятие "файловая система" содержит:
• совокупность абсолютно всех файлов на диске;
• наборы структур информации, применяемых с целью управления файлами, подобные, к примеру, равно как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения беспрепятственного и занятого места на диске;
• комплекс системных программных средств, реализующих руководство файлами, в частности: формирование, ликвидирование, чтение, регистрация, именование, поиск и прочие операции над файлами.

СУФ реализует осуществление следующих базисных функций.
1. Организацию закономерной системы в виде томов памяти и каталогов файлов.
2. Управление томами, в том числе:
• инициализацию (форматирование);
• подключение (переход в оперативное положение);
• отключение (переход в автономное положение).
3.Управление каталогами файлов:
• создание каталогов;
• переключение между каталогами;
• удаление каталогов.
4.Манипуляции с файлами:
• создание файла (определение имени, выделение участка во внешней памяти);
• удаление файла (освобождение имени и занимаемого файлами места);
• открытие файла (сообщение ОС о намерении применять документ с некоторыми функциями доступа и правами);
• закрытие открытого файла (запрет любого доступа к файлу);
• копирование и переименование файла.
5. Связь файлов и потоков ввода/вывода, объединение и переадресация потоков.
6. Организацию логической структуры файлов и доступа к записям файлов в требуемом режиме.
7. Модификацию записей файлов: читать, записывать, менять, вставлять, дополнять, устранять записи.
8. Защиту файлов от несанкционированного доступа и управление правами доступа.

Кроме этого, может быть масса сервисных функций проверки и модификации различных характеристик файлов, каталогов, томов, зависящих от конкретной реализации СУФ.

2.5 Управление внешними устройствами

В компьюторных системах помимо процессора и оперативной памяти имеется большое число различных приборов (device) – жесткие диски, приводы оптических дисков (CD, DVD, Blu-Ray Disk), устройства флеш-памяти, принтеры, сканеры, голосовые и видеокарты, модемы, сетевые карты и т. п.