Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Системне програмне забезпечення
(реферат)
1. Поняття обчислювального процесу і ресурсу
Поняття “процес” є одним основним при розгляді операційних систем. Послідовний процес (який іноді називається задачею) –це виконання окремої програми з її даними на послідовному процесорі.
Прикладом можуть бути: редагування тексту, трансляція програми, її компоновка, виконання.
І ще одне поняття є основним при розгляді ОС. Це “ресурс”.
Термін ресурс застосовується по відношенню до повторно використовуваних, відносно стабільних і часто невистачаючих об’єктах, які запитуються, використовуються і звільняються процесами в період їхньої активності. Іншими словами –ресурсом називається будь-який об’єкт, який може розподілятися всередині системи.
Ресурси можуть бути поділюваними, коли декілька процесів можуть їх використовувати одночасно (в один і той момент часу) або паралельно (на протязі деякого інтервалу часу процеси використовують ресурс поперемінно), а можуть бути неподільними.
Існують наступні режими організації обчислювального процесу:
пакетний режим;
режим розподілу часу (РРЧ);
режим реального часу.
Пакетний режим.
Системи пакетної обробки призначались для рішення задач здебільше обчислювального характеру, які не вимагають швидкого отримання результатів.
На початку роботи формується пакет завдань. Кожне завдання містить вимоги до системних ресурсів. Із даного пакету формується мультипрограмна суміш, тобто множина одночасно виконуваних задач (у відповідності до розподілу між ресурсами).
Характеризується максимальною пропускною здатністю та максимальною завантаженістю процесора та оперативної пам’яті. В цьому режимі користувач не має безпосереднього доступу до ЕОМ (саме під час виконання пакету програм).
Режим розподілу часу (РРЧ). В цьому режимі кожен користувач (а їх декілька) має безпосередній доступ до ЕОМ через свій термінал. Мета цього режиму –обслужити кожного користувача, забезпечивши йому допустимий час реакції ЕОМ на його запити.
В системах розподілу часу кожному користувачеві надається термінал, з якого він може вести діалог зі своєю програмою. Кожній задачі виділяється квант процесорного часу і жодна програма не займає CPU надовго. Це зручно для роботи користувача.
Кожній програмі, що готова до виконання, планується для виконання на процесорі фіксований, наперед визначений інтервал часу (інтервал мультиплексації). Програма, котра розпочне виконуватись на цьому інтервалі, може бути до кінця не виконаною в момент завершення інтервалу. Тоді її виконання примусово переривається і програма переводиться у стан очікування, що рівносильно розміщенню її у кінці черги серед готових до виконання завдань. Із початку цієї черги береться інша програма, на яку знов планується фіксований інтервал. І все повторюється знов.
Режим реального часу
Системи реального часу призначені для керування тих об’єктів, для яких існує обмежений допустимий час, в межах якого задача має бути виконана (Напр. керування супутником, науковим експериментальним обладнанням…)
Критерій ефективності –здатність витримати наперед задані інтервали часу між запуском програми та отриманням результатів).
Цей час називають реакцією системи, а відповідну властивість системи –реактивністю.
Контроль та керування відбувається в темпі, що узгоджений із швидкістю подачі даних від об’єкта керування. На обробку даних накладаються певні часові обмеження. Тому такий режим організації обчислювального процесу називають режимом реального часу і його організація надається спеціалізованій ОС.
Деякі ОС можуть суміщати властивості систем різних типів, тоді один з режимів буде називатися фоновим.
Діаграма станів процесу
Якщо розглядати не тільки звичайні ОС загального застосування, а й, наприклад, ОС реального часу, то можна сказати, що процес може знаходитися в активному та пасивному станах. В активному стані процес може брати участь в конкуренції за використання ресурсів обчислювальної системи, а в пасивному –він тільки відомий системі, але в конкуренції не приймає участь. В свою чергу, активний процес може бути в одному із наступних станів:
виконання –всі ресурси, які вимагає процес виділені. В цьому стані в кожний момент часу може знаходитися тільки один процес, якщо мова йде про однопроцесорну обчислювальну систему;
готовності до виконання –ресурси можуть бути надані, коли процес перейде стан виконання;
блокування або очікування –ресурси, які вимагаються не можуть бути надані, або не закінчена операція введення/виведення.
В звичайних ОС процес з’являється при запуску програми. ОС організує (породжує або виділяє) для нового процесу відповідний дескриптор процесу, і процес (задача) починає розвиватися (виконуватися). Тому пасивного стану не існує. В ОС реального часу ситуація інша. Звичайно при проектуванні систем реального часу заздалегідь відомий склад програм (задач) , які будуть виконуватися. Відомі і їх параметри, які необхідно враховувати при розприділенні ресурсів (напр. об’єм пам’яті, пріоритет, середня тривалість виконання, файли, які відкриваються…). Тому для них заздалегідь відводять дескриптори задач, щоби потім не витрачати дорогоцінний час на організацію дескриптора та пошук для нього необхідних ресурсів. Таким чином, в ОСРЧ багато процесів (задач) може знаходитись в стані бездії, що ми відобразили на мал., відділив цей стан від інших станів пунктиром.
За час існування процес може багато разів переходити з одного стану в інший. Це обумовлено звертаннями до операційної системи с запитами ресурсів та виконання системних функцій, які надає ОС, взаємодією з іншими процесами, появою сигналів переривання від таймера, каналів і пристроїв введення/виведення, а також інших пристроїв. Можливі переходи процесу із одного стану в інший відображені у вигляді графа на мал. Розглянемо ці переходи з одного стану в інший більш детально.
Рис. 1 Граф станів процесу
Процес із пасивного стану може перейти в стан готовності в наступних випадках:
по команді оператора (користувача). Має місце в тих ОС, де програма може мати статус задачі (і при цьому бути пасивною), а не просто бути виконуваним файлом і тільки на час виконання отримувати статус задачі (як в більшості сучасних ОС для ПК);
при виборі з черги планувальником (характерно для ОС, які працюють в пакетному режимі);
по виклику з іншої задачі (шляхом звернення до супервізору один процес може створювати, ініціювати, призупинити, зупинити, знищити інший процес);
по перериванню від зовнішнього ініціативного пристрою;
при настанні запланованого часу запуску програми.
Останні два способи запуску задачі, при яких процес із стану бездіяльності переходить у стан готовності, характерні для ОС реального часу.
Процес, який може виконуватися, як тільки йому буде наданий процесор, знаходиться у стані готовності. Вважається, що такому процесу уже виділені всі необхідні ресурси за винятком процесорного часу.
Із стану виконання процес може вийти по одній із наступних причин:
процес завершується, при цьому він за допомогою звернення до супервізору передає керування операційній системі і повідомляє про своє завершення. В результаті цих дій супервізор або передає його в список бездіяльних (пасивних) процесів, або знищує. В пасивний стан процес може бути переведений примусово: по команді оператора або шляхом звернення до супервізору операційної системи з іншої задачі з вимогою зупинити даний процес;
процес переводиться супервізором операційної системи в стан готовності до виконання в зв’язку з появою більш пріоритетної задачі або в зв’язку із закінченням наданого йому кванту часу;
процес блокується (переводиться в стан очікування) або внаслідок запиту операції введення/виведення (яка повинна бути виконана перед тим чим як він зможе продовжити виконання), або в силу неможливості надати йому ресурс, які необхідний йому в даний час, а також по команді оператора.
При настанні відповідної події (закінчилась операція вв/вив, звільнився необхідний ресурс і.т.д.) процес деблокується і переходить в стан готовності до виконання.
2. Планування і диспетчеризація процесів і задач в ОС
Стратегії планування
Стратегія планування визначає, які процеси ми плануємо на виконання для того, щоб досягти поставленої мети. Є велика кількість стратегій вибору процесу, але серед них найчастіше виділяють наступні:
По можливості закінчувати обчислення в тому ж порядку, в якому вони були отримані;
Надавати перевагу більш коротким процесам;
Надавати усім користувачам (процесам) однакові послуги, в тому числі однаковий час очікування.
Дисципліни диспетчеризації
Відома велика кількість правил (дисциплін диспетчеризації), у відповідності з якими формується список (черга) готових до виконання задач. Розрізняють два великих класи дисциплін обслуговування —безпріоритетні і пріоритетні. При безпріоритетному обслуговуванні вибір задачі відбувається в деякому заздалегідь установленому порядку без обліку їхньої відносної важливості і часу обслуговування. При реалізації пріоритетних дисциплін обслуговування окремим задачам дається переважне право потрапити в стан виконання.
Існуючі дисципліни диспетчеризації процесів можуть бути розбиті на два класи —витісняючі (preemtive) і невитісняючі (non-preemptive).
Невитісняюча багатозадачність- тобто диспетчеризація без перерозподілу процесорного часу. При такому способі активний процес виконується до тих пір, поки він самий не віддасть керування диспетчеру задач для вибору з черги іншого, готового до виконання завдання.
Витісняюча багатозадачність - диспетчеризація з розподілом процесорного часу. Це такий спосіб, при якому, рішення про переключення процесора з однієї задачі на виконання іншого приймається диспетчером задач, а не самим завданням.
Розглянемо коротко деякі основні (найбільш часто використовувані) дисципліни диспетчеризації.
Найпростіший у реалізації є дисципліна FCFS (first come —firsi served), відповідно до якої задачі обслуговуються «у порядку черги», тобто в порядку їх появи. Ті задачі, що були заблоковані в процесі роботи (потрапили в яке-небудь зі станів очікування, наприклад, через операції введення/виведення), після переходу в стан готовності ставляться в цю чергу готовності перед тими задачами, що ще не виконувалися. Іншими словами, утворяться дві черги, одна черга утвориться з нових задач, а друга черга - з тих, що раніше виконувалися, але, потрапили в стан очікування. Такий підхід дозволяє реалізувати стратегію обслуговування «по можливості закінчувати обчислення в порядку їхньої появи». Ця дисципліна обслуговування не вимагає зовнішнього втручання в хід обчислень, при ній не відбувається перерозподіл процесорного часу.
Виконані задачі
Дисципліна обслуговування SJN (shortest job next) вимагає, щоб для кожного завдання була відома оцінка в потребах машинного часу. Необхідність повідомляти ОС характеристики задач, у яких описувалися би потреби в ресурсах обчислювальної системи, привела до того, що були розроблені відповідні мовні засоби. Зокрема, мова JCL (job control language) була однією з найбільш відомих. Користувачі змушені були вказувати передбачуваний час виконання, і для того, щоб вони не зловживали можливістю вказати свідомо менший час виконання (з метою одержати результати раніше від інших), ввели підрахунок реальних потреб. Диспетчер задач порівнював замовлений час і час виконання, і у випадку перевищення зазначеної оцінки в даному ресурсі ставив дане завдання не в початок, а в кінець черги.
Ще в деяких ОС у таких випадках використовувалася система штрафів, при якій у випадку перевищення замовленого машинного часу оплата обчислювальних ресурсів здійснювалася вже по інших розцінках.
Дисципліна обслуговування SJN припускає, що є тільки одна черга завдань, готових до виконання. І завдання, що у процесі свого виконання були тимчасово заблоковані (наприклад, очікували завершення операцій уведення/виведення), знову попадають у кінець черги готових до виконання нарівні з тими, що тільки надходять. Це приводить до того, що завдання, яким потрібно дуже небагато часу для свого завершення, змушені очікувати процесор нарівні з тривалими задачами, що не завжди добре.
Для усунення цього недоліку і була запропонована дисципліна SRT (shortest remaining time, наступне завдання вимагає менше всього часу для свого завершення).
Усі ці три дисципліни обслуговування можуть використовуватися для пакетних режимів обробки, коли користувач не змушений очікувати реакції системи, а просто здає своє завдання і через кілька годин одержує свої результати обчислень.
Для інтерактивних обчислень бажано насамперед забезпечити прийнятний час реакції системи і рівність в обслуговуванні. Для вирішення подібних проблем використовується дисципліна обслуговування, називана RR (round robin, кругова, карусельна), і пріоритетні методи обслуговування.
Дисципліна обслуговування RR припускає, що кожна задача одержує процесорний час порціями (квантами часу, q). Після закінчення кванта часу q задача знімається з процесора і він передається наступній задачі. Знята задача ставиться в кінець черги задач, готових до виконання. Для оптимальної роботи системи необхідно правильно вибрати закон, по якому кванти часу виділяються задачам.
Виконані задачі
3. Розподіл переривань по рівнях пріоритету. Облік пріоритету. Дисципліни обслуговування переривань
Переривання являють собою механізм, що дозволяє координувати паралельне функціонування окремих пристроїв обчислювальної системи і реагувати на особливі стани, що виникають при роботі процесора. Таким чином, переривання —це примусова передача керування від виконуваної програми до системи (а через неї —до відповідної програми обробки переривань), що відбуває при виникненні визначеної події.
Основна мета введення переривань —реалізація асинхронного режиму роботи і розпаралелювання роботи окремих пристроїв обчислювального комплексу.
Механізм переривань реалізується апаратно-програмними засобами і включає наступні елементи:
. Установлення факту переривання.
. Запам'ятовування стану перерваного процесу.
3. Керування апаратно передається підпрограмі обробки переривання.
4. Обробка переривання..
5. Відновлення інформації, що відноситься до перерваного процесу
6. Повернення в перервану програму.
На мал.1 показано, що при виникненні запиту на переривання природний хід обчислень порушується і керування передається програмі обробки переривання. При цьому засобами апаратури зберігається (як правило, за допомогою механізмів стекової пам'яті) адреса тієї команди, з якою варто продовжити виконання перерваної програми. Після виконання програми обробки переривання керування повертається перерваній раніше програмі за допомогою занесення в покажчик команд збереженої адреси команди.
Однак така схема використовується тільки в найпростіших програмних середовищах. У мультипрограмних операційних системах обробка переривань відбувається по більш складних схемах.
Підпрограма обробки переривань
Рис.1 Обробка переривання
Отже, головні функції механізму переривань:
розпізнавання або класифікація переривань;
передача керування відповідно оброблювачу переривань;
коректне повернення до перерваної програми.
Переривання, що виникають при роботі обчислювальної системи, можна розділити на два основних класи: зовнішні (їх іноді називають асинхронними) і внутрішні (синхронні).
Зовнішні переривання викликаються асинхронними подіями, що відбуваються поза процесом, що переривається, наприклад:
переривання від таймера;
переривання від зовнішніх пристроїв (переривання по введенню/виведенню);
переривання по порушенню живлення;
переривання з пульта оператора обчислювальної системи;
переривання від іншого процесора чи іншої обчислювальної системи.
Внутрішні переривання викликаються подіями, що зв'язані з роботою процесора і є синхронними з його операціями. Прикладами є наступні запити на переривання:
при порушенні адресації (в адресній частині виконуваної команди зазначена заборонена чи неіснуюча адреса, звертання до відсутнього сегменту або сторінки при організації механізмів віртуальної пам'яті);
при наявності в поле коду операції незадіяної двійкової комбінації;
при діленні на нуль;
при переповненні або зникненні порядку;
при виявленні помилок парності, помилок у роботі різних пристроїв апаратури засобами контролю.
Нарешті, існують власне програмні переривання. Ці переривання відбуваються по відповідній команді переривання, тобто по цій команді процесор здійснює практично ті ж дії, що і при звичайних внутрішніх перериваннях.
Сигнали, що викликають переривання, формуються поза процесором чи у самому процесорі, можуть виникати одночасно. Вибір одного з них для обробки здійснюється на основі пріоритетів, приписаних кожному типу переривання.
Зовнішні
пристрої
Рис.2. Розподіл переривань по рівнях пріоритету
Програмне керування спеціальними регістрами маски (маскування сигналів переривання) дозволяє реалізувати різні дисципліни обслуговування переривань:
з відносними пріоритетами, тобто обслуговування не переривається навіть при наявності запитів з більш високими пріоритетами. Після закінчення обслуговування даного запиту обслуговується запит з найвищим пріоритетом. Для організації такої дисципліни необхідно в програмі обслуговування даного запиту накласти маски на всі інші сигнали переривання або просто відключити систему переривань;
з абсолютними пріоритетами, тобто завжди обслуговується переривання з найвищим пріоритетом. Для реалізації цього режиму необхідно на час обробки переривання замаскувати всі запити з більш низьким пріоритетом. При цьому можливе багаторівневе переривання, тобто переривання програм обробки переривань. Число рівнів переривання в цьому режимі змінюється і залежить від пріоритету запиту;
за принципом стека, чи, як іноді говорять, по дисципліні LCFS (1аst соme first served —останнім прийшов —першим обслугований), тобто запити з більш низьким пріоритетом можуть переривати обробку переривання з більш високим пріоритетом. Для цього необхідно не накладати маски ні на один сигнал переривання і не виключати систему переривань.
У багатьох операційних системах перші секції підпрограм обробки переривань виділяються в спеціальний системний програмний модуль, називаний супервізором переривань.
Супервізор переривань насамперед зберігає в дескрипторі поточної задачі робочі регістри процесору, що визначають контекст обчислювального процесу, що переривається. Далі він визначає ту підпрограму, що повинна виконати дії, зв'язані з обслуговуванням поточного запиту на переривання. Нарешті, перед тим як передати керування цій підпрограмі, супервізор переривань установлює необхідний режим обробки переривання. Після виконання підпрограми обробки переривання керування знову передається супервізору, цього разу уже на той модуль, що займається диспетчеризацією задач. І уже диспетчер задач, у свою чергу, відповідно до прийнятого режиму розподілу процесорного часу (між процесами, що виконуються,) відновить контекст тієї задачі, якій буде вирішено виділити процесор. Розглянута нами схема проілюстрована на мал.3
Рис. 3. Обробка переривання при участі супервізорів ОС
4. Способи виділення пам’яті під новий розділ. Їх переваги і недоліки
Загальноприйнята в даний час концепція віртуальної пам'яті з'явилася досить давно. Вона дозволила вирішити цілий ряд актуальних питань організації обчислень. Насамперед до числа таких питань відноситься забезпечення надійного функціонування мультипрограмних систем.
У будь-який момент часу комп'ютер виконує безліч процесів чи задач, кожна з яких має свій власний адресний простір. Тому необхідний механізм поділу невеликої фізичної пам'яті між різними задачами. Віртуальна пам'ять є одним зі способів реалізації такої можливості. Вона поділяє фізичну пам'ять на блоки і розподіляє їх між різними задачами. При цьому вона передбачає також деяку схему захисту, що обмежує задачу тими блоками, що їй належать.
Крім того, віртуальна пам'ять спрощує також завантаження програм, забезпечуючи механізм автоматичного переміщення програм, що дозволяє виконувати ту саму програму в довільному місці фізичної пам'яті.
З іншого боку існує поняття фізичної оперативної пам’яті, власне з якою і працює процесор, витягаючи з неї команди і дані і поміщаючи в неї результати обчислень.
Фізична пам’ять –це впорядкована множина комірок, що пронумеровані, тобто до кожної з них можна звернутись, вказавши її адресу. При цьому кількість комірок фізичної пам’яті обмежена і фіксована.
Системне програмне забезпечення повинно зв’язувати кожне ім’я, що вказане користувачем, з фізичною коміркою, тобто здійснювати відображення імен на фізичну пам’ять комп’ютера.
cb () ’ff
Простір імен програми
d1
c2
ce
ca ’ff
( )