Теория операционных систем

Введение. Основные понятия и определения.

Операционная система - это программа, которая выполняет функции посредника между пользователем и компьютером.

ОС, выполняя роль посредника, служит двум целям:
1. эффективно использовать компьютерные ресурсы.
2. создавать условия для эффективной работы пользователя

В качестве ресурсов компьютера обычно рассматривают:
1. время работы процессора
2. адресное пространство основной памяти

1. оборудование ввода - вывода
2. файлы, хранящиеся во внешней памяти

На рисунке приведены основные компоненты ОС как системы разделения ресурсов.

Таким образом, основные компоненты ОС:
1. управление процессами (распределяет ресурс — процессорное время);
2. управление памятью (распределяет ресурс — адресное пространство основной памяти);
3. управление устройствами (распределяет ресурсы) — оборудование ввода - вывода;
4. управление данными (распределяет ресурс — данные или файлы).

Функционирование компьютера после включения питания начинается с запуска программы первоначальной загрузки — Boot Track. Программа Boot
Track инициализирует основные аппаратные блоки компьютера и регистры процессора (CPU), накопитель памяти, контроллеры периферийного оборудования. Затем загружается ядро ОС, то бишь Operating System Kernel.
Дальнейшее функционирование ОС осуществляется как реакция на события, происходящие в компьютере. Наступление того или иного события сигнализируется прерываниями - Interrupt. Источниками прерываний могут быть как аппаратура (HardWare), так и программы (SoftWare).

Аппаратура “сообщает” о прерывании асинхронно (в любой момент времени) путем пересылки в CPU через общую шину сигналов прерываний.
Программа “сообщает” о прерывании путем выполнения операции System Call.
Примеры событий, вызывающих прерывания:
1. попытка деления на 0
2. запрос на системное обслуживание
3. завершение операции ввода - вывода
4. неправильное обращение к памяти

Каждое прерывание обрабатывается соответственно обработчиком прерываний (Interrupt handler), входящим в состав ОС.

Главные функции механизма прерываний — это:
1. распознавание или классификация прерываний
2. передача управления соответственно обработчику прерываний
3. корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Такая таблица называется вектором прерываний (Interrupt vector) и хранится в начале адресного пространства основной памяти (UNIX/MS DOS).

Для корректного возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке —
System Stack.

Обычно запрещаются прерывания обработчика прерываний. Однако, в некоторых ОС прерывания снабжаются приоритетами, то есть работа обработчика прерывания с более низким приоритетом может быть прервана, если произошло прерывание с более высоким приоритетом.

1. Управление процессами.

ПРОЦЕСС — ЭТО ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ, ВЫПОЛНяЕМЫЙ В CPU. ОПЕРАЦИОННАя
СИСТЕМА КОНТРОЛИРУЕТ СЛЕДУЮЩУЮ ДЕяТЕЛЬНОСТЬ, СВяЗАННУЮ С ПРОЦЕССАМИ:
1. создание и удаление процессов
2. планирование процессов
3. синхронизация процессов
4. коммуникация процессов
5. разрешение тупиковых ситуаций

1.1 Понятие Процесс. Состояния процесса

НЕ СЛЕДУЕТ СМЕШИВАТЬ ПОНяТИя ПРОЦЕСС И ПРОГРАММА. ПРОГРАММА — ЭТО
ПЛАН ДЕЙСТВИЙ, А ПРОЦЕСС — ЭТО САМО ДЕЙСТВИЕ. ПОНяТИЕ ПРОЦЕСС ВКЛЮчАЕТ:
1. программный код
2. данные
3. содержимое стека
4. содержимое адресного и других регистров CPU.

Таким образом, для одной программы могут быть созданы несколько процессов, в том случае, если с помощью одной программы в компьютере выполняется несколько несовпадающих последовательностей команд. За время существования процесс многократно изменяет свое состояние.

Различают следующие состояния процесса:
1. новый (new, процесс только что создан)
2. выполняемый (running, команды программы выполняются в CPU)
3. ожидающий (waiting, процесс ожидает завершения некоторого события, чаще всего операции ввода - вывода)
4. готовый (ready, процесс ожидает освобождения CPU)
5. завершенный (terminated, процесс завершил свою работу)

Переход из одного состояния в другое не может выполняться произвольным образом. На рисунке приведена типовая диаграмма переходов для состояний процессора.

Каждый процесс представлен в операционной системе набором данных, называемых process control block . В process control block процесс описывается набором значений, параметров, характеризующих его текущее состояние и используемых операционной системой для управления прохождением процесса через компьютер.

На рисунке схематически показано, каким образом операционная система использует process control block для переключения процессора с одного процесса на другой.
|выполняемый |ожидаемый, |готовый |выполняемый | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
|готовый |выполняемый |гото |вый | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
|ожидаемый, |готовый |выполняемый |ожидаемый | |
| | | |time | |

1.2. Планирование процессов. Понятие очереди.