ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДГТУ)

Кафедра ______ИНФОРМАТИКА_________

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой

Соболь Б.В.

"______"________2010 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе __________по «Информатике»_ ______________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему:__________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Специальность____________________________________________________________

Обозначение курсовой работы ____________________Группа_____________________

Руководитель проекта____________________ _______________________________

(подпись) (Ф.И.О.)

Работа защищена _______________________ _______________________________

(дата) (оценка)

Члены комиссии ________________________ _______________________________

(подпись) (Ф.И.О)

____________________________ ______________________________

(подпись) (Ф.И.О)

Ростов-на-Дону

Тема: «Операционные системы. Управление памятью. Ввод-вывод»

Введение………………………………………………………………………………3

1. Операционные системы………………………………………………………….4

1.1 Файловая система……………………………………………………………….5

1.1.1 Классификация файловых систем………………………………………….6

1.1.2 Задачи файловой системы…………………………………………………..7

1.2 Структура и состав операционной системы………………………………..11

1.3 Защищенные подсистемы……………………………………………………..12

2. Управление памятью…………………………………………………………….14

3. Ввод-вывод………………………………………………………………………...17

Заключение……………………………………………………………………………20

Список литературы…………………………………………………………………..21

Введение

Операционная система (ОС) неотъемлемая часть программного обеспечения компьютера, управляющая всеми его аппаратными компонентами. Другими словами, ОС обеспечивает целостное функционирование всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к аппаратным возможностям компьютера. Состав и структуру ОС составляют следующие модули:

базовый модуль (ядро ОС) управляет работой программ и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие, прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС). Известно, что для их выполнения программы и, следовательно, файлы ОС должны находиться в оперативной памяти (ОЗУ). Однако, чтобы произвести запись ОС в ОЗУ, необходимо выполнить программу загрузки, которой сразу после включения компьютера в ОЗУ нет. Выход из этой ситуации состоит в последовательной, поэтапной загрузке ОС в оперативную память.

Существует несколько наиболее распространенных ОС, каждая из которых ориентирована на определенную разрядность процессора, тип процессора, а также емкость ОЗУ. По мере расширения возможностей компьютера требуются все более мощные и современные программные средства для использования этих ресурсов пользователями. Такими качествами обладают, в частности, ОС фирмы Microsoft.

1. Операционные системы

Для операционных систем существует набор базовых понятий, таких как процессы, память и файлы, которые являются самыми важными для понимания общей идеи построения и функционирования ОС.

Ключевое понятие ОС - процесс. С каждым процессом связывается его адресное пространство – список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содер­жит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, ука­затель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы. Чтобы лучше разобраться в понятии процесса, проведем аналогию с системой, работающей в режиме разделения времени. Предположим, ОС решает остановить работу одного процесса и запустить другой, потому что первый из­расходовал отведенную для него часть рабочего времени ЦП. Позже остановленный процесс должен быть запущен снова из того же со­стояния, в каком его остановили. Следовательно, всю информацию о процессе нужно где-либо сохранить. Так, процесс может иметь не­сколько одновременно открытых для чтения файлов. Связанный с каждым файлом указатель дает текущую позицию, т.е. номер байта или записи, которые будут прочитаны после повторного запуска про­цесса. При временном прекращении действия процесса все указате­ли нужно сохранить так, чтобы команда чтения, выполненная после возобновления процесса, прочла правильные данные. Во многих ОС вся информация о каждом процессе хранится в таблице операцион­ной системы. Эта таблица называется таблицей процессов и представ­ляет собой связанный список структур, по одной на каждый суще­ствующий в данный момент процесс.

В каждом компьютере есть оперативная память, используемая для хранения исполняемых программ. В простых ОС в конкретный момент времени в памяти может находиться только одна програм­ма. Более сложные системы позволяют одновременно хранить в па­мяти несколько программ. Для того чтобы они не мешали друг дру­гу, необходим защитный механизм. Этот механизм управляется операционной системой.

Другой важный, связанный с памятью вопрос - управление ад­ресным пространством процессов. Обычно под каждый процесс отво­дится некоторое множество адресов, которые он может использовать. В простейшем случае, когда максимальная величина адресного про­странства для процесса меньше оперативной памяти, процесс запол­няет свое адресное пространство, и памяти хватает на то, чтобы со­держать его целиком. Однако, что произойдет, если адресное пространство процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, а процесс захочет использовать его целиком? В этом случае использу­ется метод, называемый виртуальной памятью, при котором ОС хра­нит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами при необходимости. Управление памятью - важная фун­кция операционной системы.

1.1 Файловая система

Файловая система (англ. file system) - регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система связывает носитель информации с одной стороны и API для доступа к файлам - с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа - это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере

При создании места для хранения файлов ОС использует поня­тие каталога как способ объединения файлов в группы. Например, студент может иметь по одному каталогу для каждого изучаемого им курса, каталог для электронной почты и каталог для своей домаш­ней web-страницы. Для создания и удаления каталога также необ­ходимы системные вызовы. Они же обеспечивают перемещение су­ществующего файла в каталог и удаление файла из каталога. Содержимое каталога могут составлять файлы или другие каталоги. Эта модель создает структуру - файловую систему.

Иерархии процессов и файлов организованы в виде деревьев (рис. 1). Иерархия процессов обычно не очень глубока, в ней ред­ко бывает больше трех уровней, тогда как файловая структура дос­таточно часто имеет четыре, пять и даже больше уровней в глубину.

Рис. 1 Дерево каталогов

Иерархия процессов обычно живет, как правило, несколько минут, иерархия каталогов может существовать годами.

Каждый файл в иерархии каталогов можно определить, задав его имя пути, называемое также полным именем файла. Путь начинает­ся из вершины структуры каталогов, называемой корневым катало­гом. Такое абсолютное имя пути состоит из списка каталогов, кото­рые нужно пройти от корневого каталога к файлу, с разделением отдельных компонентов. Отдельные компоненты в ОС UNIX разде­ляются косой чертой /, а в MS-DOS и Windows - обратной косой чертой \.

1.1.1 Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на следующие категории:

Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates - в BSD системах.

Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Для оптических носителей - CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.

Виртуальные файловые системы: AEFS и др.

Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

1.1.2 Задачи файловой системы

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

Именование файлов;

Программный интерфейс работы с файлами для приложений;

Отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

Организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».

Основным понятием, связанным с операционными системами, является процесс - абстрактное понятие, описывающее работу про­граммы.

Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользовате­лем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе про­цессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд. При этом в каждый конкретный мо­мент времени процессор занят только одной программой, но за се­кунду он успевает поработать с несколькими программами, создавая у пользователей иллюзию параллельной работы со всеми програм­мами. Иногда в этом случае говорят о псевдопараллелизме, в отличие от настоящего параллелизма в многопроцессорных системах, содержа­щих несколько процессоров, разделяющих общую память между со­бой. Производители операционных систем разработали концептуаль­ную модель последовательных процессов, упрощающую наблюдение за работой параллельно идущих процессов.

Рассмотрим содержание и применение этой модели.

В модели процесса все функционирующее на компьютере ПО организовано в виде набора последовательных процессов, или просто процессов. Процессом является выполняемая программа вместе с те­кущими значениями счетчика команд, регистров и переменных. С позиций этой абстрактной модели у каждого процесса есть соб­ственный центральный виртуальный процессор. На самом деле цен­тральный процессор переключается с процесса на процесс, но для лучшего понимания системы проще рассматривать набор процессов, идущих параллельно, чем представлять процессор, переключающийся от программы к программе. Это переключение и называется много­задачностью или мультипрограммированием.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС созда­ются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимо­действие с пользователем и выполняют заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми. Они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может обеспечивать вывод на печать, другой мо­жет обрабатывать запросы к web-страницам.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки систе­мы. Так, текущий процесс может создать один или несколько новых процессов, при этом текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сфор­мировать как набор связанных, но независимо взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого коли­чества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в буфере, дру­гой - для считывания и обработки данных из буфера. Такая схема даже ускорит обработку данных, если каждый процесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.

Как правило, процессы завершаются по мере выполнения сво­ей работы. Так, после окончания компиляции программы компиля­тор выполняет системный запрос, чтобы сообщить ОС об оконча­нии работы. В текстовых редакторах, браузерах и других программах такого типа есть кнопка или пункт меню, с помощью которых мож­но завершить процесс.

Процесс является независимым объектом со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, однако существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого про­цесса.

Модель процессов упрощает представление о внутреннем пове­дении системы. Некоторые процессы запускают программы, выпол­няющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя.

Рассмотренный подход описывается моделью, представленной на рис. 2. Нижний уровень ОС - это планировщик - небольшая про­грамма. На верхних уровнях расположены процессы. Обработка пре­рываний и процедуры, связанные с остановкой и запуском про­цессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.

Рис. 2 Нижний уровень ОС, отвечающий за прерывание и планирование

Реализация модели процессов базируется на таблице процессов с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содер­жит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, распре­делении памяти, состоянии открытых файлов, об указателе стека, использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска про­цесса, как если бы он не останавливался.

В обычных ОС процесс определяется соответствующим адресным пространством и одиночным управляющим потоком. Но часто встре­чаются ситуации, когда в одном адресном пространстве предпочтительно иметь несколько квазипараллельных управляющих процессов.

Модель процесса базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Когда их разделяют, появляется понятие потока.

С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родственных ресурсов в одну группу. У процесса есть адресное пространство, содержащее программу, данные и другие ре­сурсы. Ресурсами являются открытые файлы, дочерние процессы, аварийные необработанные сообщения, обработчики сигналов, учет­ная информация и многое другое. Гораздо проще управлять ресурса­ми, объединив их в форме процесса.

С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток ис­полняемых команд. У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хра­нятся текущие переменные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую вызванную процедуру отведе­на отдельная структура. Хотя поток протекает внутри процесса, сле­дует различать концепции потока и процесса. Процессы использу­ются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на ЦП.

Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса не­скольких достаточно независимых программ. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором - процессы совместно пользуются физи­ческой памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Пото­ки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами. Термин многопоточность также используется для описания использования нескольких потоков в од­ном процессе.

При запуске многопоточного процесса в системе с одним про­цессором потоки работают поочередно. Процессор быстро переклю­чается между потоками, создавая впечатление параллельной работы потоков, даже не на очень быстром процессоре. Например, в случае трех потоков в одном процессе все потоки будут работать параллель­но. Каждому потоку будет соответствовать виртуальный процессор с быстродействием, равным одной трети быстродействия реального процессора.

При использовании потоков имеется также возможность совме­стного применения параллельными объектами одного адресного про­странства и всех содержащихся в нем данных. Для некоторых при­ложений эта возможность является существенной. В таких случаях схема параллельных процессов с разными адресными пространства­ми не подходит.

В пользу потоков работает еще один аргумент - легкость их со­здания и уничтожения, так как с потоком не связаны никакие ре­сурсы. В большинстве систем на создание потока уходит примерно в 100 раз меньше времени, чем на создание процесса. Это свойство особенно полезно при необходимости динамического и быстрого изменения числа потоков.

Третьим аргументом является производительность. Концепция потоков не дает увеличения производительности, если они ограни­чены возможностями процессора. Но когда имеется одновременная потребность в выполнении большого объема вычислений и опера­ций ввода-вывода, наличие потоков позволяет совмещать эти про­цедуры во времени, увеличивая, тем самым, общую скорость работы приложения.

Концепция потоков полезна также в системах с несколькими процессорами, где возможен настоящий параллелизм.

Необходимость потоков проще продемонстрировать на конкрет­ном примере. Рассмотрим текстовый процессор, который выводит на экран монитора текст в том виде, в котором он будет напечатан. Допустим, что пользователь пишет книгу. С точки зрения автора про­ще хранить книгу в одном файле, чтобы легче было искать отдель­ные фрагменты, редактировать и т.п.

Представим, что пользователь удалил предложение на первой странице, а затем исправил предложение на 350-й странице докумен­та, в котором 400 страниц. Он дает команду программе перейти на страницу с номером 350. Текстовому процессору придется перефор­матировать весь документ вплоть до 350-й страницы, поскольку он не знает, где начинается эта страница. Это может занять довольно много времени и вряд ли обрадует пользователя.

В данном случае помогут потоки. Пусть текстовый процессор на­писан в виде двухпоточной программы. Один поток взаимодейству­ет с пользователем, а второй переформатирует документ в фоновом режиме. Как только предложение на первой странице было удалено, интерактивный поток дает команду фоновому потоку переформати­ровать весь документ. В то время как первый поток продолжает вы­полнять команды с клавиатуры или мыши, второй поток быстро пе­реформатирует документ. Может случиться, что форматирование будет закончено раньше, чем пользователь захочет перейти к 350-й странице, и тогда команда будет выполнена мгновенно. Можно до­бавить третий поток. Большинство текстовых процессоров автома­тически сохраняет редактируемый текст один раз в несколько минут (время устанавливается пользователем), чтобы в случае аварийного завершения программы, отказа системы или перебоев с питанием пользователь не лишился результатов своей работы. Этим может за­ниматься третий поток, не отвлекая два оставшихся.

1.2 Структура и состав операционной системы

Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В операционной системе имеются программные модули, управляющие файловой системой.

В состав операционной системы входит специальная программа - командный процессор, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т. д. Операционная система должна эти команды выполнить. 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.

Архитектура операционных систем Windows является модульной. Структурно ее можно разделить на две части:

Первая часть работает в режиме ядра (kernel mode) и называется исполнительной системой Windows (Windows executive). Компоненты режима ядра обладают следующими функциональными возможностями:

Имеют доступ к оборудованию;

Имеют прямой доступ ко всем видам памяти компьютера;

Не выгружаются на жесткий диск в файл подкачки;

Имеют более высокий приоритет, нежели процессы режима пользователя.

Вторая часть работает в так называемом режиме пользователя (user mode) Эту часть составляют защищенные подсистемы ОС. Особенности процессов пользовательского режима:

Не имеют прямого доступа к оборудованию, все запросы на использование аппаратных ресурсов должны быть разрешены компонентом режима ядра;

Ограничены размерами выделенного адресного пространства, это ограничение устанавливается выделением процессу фиксированных адресов;

Могут быть выгружены из физической памяти в виртуальную на жестком диске;

Приоритет процессов данного типа ниже приоритета процессов режима ядра, это предохраняет ОС от снижения производительности или задержек, происходящих по вине приложений.

1.3 Защищенные подсистемы

Защищенные подсистемы - это серверные процессы пользовательского режима, создаваемые ОС во время загрузки. После создания они функционируют постоянно, обрабатывая сообщения от прикладных процессов и других подсистем.

В Windows два типа защищенных подсистем:

1. Подсистемы среды. Под такими подсистемами понимаются программы-серверы пользовательского режима, реализующие программный интерфейс некоторой операционной системы. Главнейшей подсистемой этого типа является Win32. К ее функциям относятся:

Предоставление приложениям стандартного программного интерфейса к функциям ОС;

Реализация графического пользовательского интерфейса;

Управление пользовательским вводом/выводом.

К подсистемам среды относятся также подсистемы POSIX и OS/2.

2. Внутренние подсистемы. К этому типу относятся подсистемы, выполняющие важные функции ОС. Вот основные:

Подсистема безопасности. Осуществляет регистрацию правил контроля доступа, поддержку базы данных учетных записей пользователей, прием регистрационной информации и инициализацию процесса аутентификации пользователей.

Служба рабочей станции. Предоставляет приложениям механизм доступа к сетевым ресурсам, таким как файлы, папки, принтеры и т. п.

Служба сервера. Обслуживает входящие из сети запросы на доступ к ресурсам компьютера, например, к файлам и папкам.

Исполнительная система и уровень абстрагирования от оборудования. В состав исполнительной системы входят следующие элементы:

Справочный монитор защиты (Security Reference Monitor, SRM). Гарантирует выполнение политики защиты на локальном компьютере. Оберегает ресурсы ОС, обеспечивая защиту объектов и аудит доступа к ним.

Диспетчер процессов (Process Manager). Создает и завершает процессы и потоки. Кроме того, приостанавливает и возобновляет исполнение потоков, хранит и выдает информацию о процессах и потоках NT.

Диспетчер межпроцессного взаимодействия (Interprocess Communication Manager, IPC Manager). Обеспечивает взаимодействие между подсистемами режима пользователя и исполнительной подсистемы.

Диспетчер виртуальной памяти (Virtual memory manager, VMM). Реализует виртуальную память - схему управления памятью, которая предоставляет каждому процессу большое собственное адресное пространство и защищает это пространство от других процессов.

Ядро (Kernel). Реагирует на прерывания и исключения, выполняет межпроцессорную синхронизацию и предоставляет набор элементарных объектов и интерфейсов, используемый остальными частями исполнительной системы для реализации объектов более высокого уровня.

Подсистема ввода/вывода (I/O Subsystem). Состоит из группы компонентов, отвечающих за выполнение ввода/вывода на разнообразные устройства. Подробнее подсистема ввода/вывода рассматривается в следующих разделах.

Диспетчер объектов (Object manager). Создает, поддерживает и уничтожает объекты исполнительной системы Windows - абстрактные типы данных, представляющие системные ресурсы.

Диспетчер электропитания (Advanced Configuration and Power Interface Manager, ACPI-manager). Управляет электропитанием устройств, координирует запросы устройств, связанные с изменением режима электропитания.

Диспетчер Plug and Play (PnP-manager). Обеспечивает распознавание PnP-устройств после процесса загрузки ОС, управляет их драйверами, предоставляет интерфейс средствам пользовательского режима для поиска устройств, их установки и удаления, а также остановки и возобновления их работы.

Диспетчер окон и интерфейс графических устройств (Graphic Device Interface, GDI). Управляет отображением окон, обеспечивает прием ввода от клавиатуры и мыши, распределяя информацию приложениям.

Компоненты исполнительной системы реализованы как независимые от аппаратной платформы модули. Это обеспечивается наличием уровня абстрагирования от оборудования и делает ОС максимально переносимой.

Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstract Level, HAL). Представляет собой программную прослойку между исполнительной системой Windows и аппаратной платформой, на которой работает ОС. HAL скрывает аппаратно-зависимые детали, такие как интерфейсы ввода/вывода, контроллеры прерываний и механизмы межпроцессорных связей. Вместо того чтобы обращаться к аппаратуре непосредственно, исполнительная система Windows вызывает функции HAL.

2. Управление памятью

Память представляет собой важный ресурс, требующий тщатель­ного управления, поскольку программы увеличиваются в размерах быстрее, чем память.

Память в компьютере имеет иерархическую структуру. Неболь­шая ее часть представляет собой очень быструю энергозависимую (теряющую информацию при выключении питания) кэш-память. Компьютеры обладают также десятками мегабайт энергозависимой оперативной памяти ОЗУ (RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) и десятками или сотнями гигабайт медлен­ного энергонезависимого пространства на жестком диске. Одной из задач ОС является координация использования всех этих составля­ющих памяти.

Часть операционной системы, отвечающая за управление памя­тью, называется модулем управления памятью или менеджером памяти. Менеджер следит за тем, какая часть памяти используется в данный момент, выделяет память процессам и по их завершении освобождает ресурсы, управляет обменом данных между ОЗУ и диском.

Системы управления памятью делят на два класса. К первому классу относятся системы, перемещающие процессы между опера­тивной памятью и диском во время их выполнения, т.е. осуществля­ющие подкачку процессов целиком (swapping) или постранично (paging). Обычный и постраничный варианты подкачки являются искусственными процессами, вызванными отсутствием достаточно­го количества оперативной памяти для одновременного хранения всех программ. Ко второму - те, которые этого не делают. Второй класс систем проще. Поскольку ПО растет еще быстрее, чем память, то, вероятно, потребность в эффективном управлении памятью бу­дет существовать всегда. В 80-е гг. использовали системы разделения времени для работы десятков пользователей на машинах VAX с объе­мом памяти 4 Мбайт. Сейчас рекомендуется для индивидуальной работы в системе Windows 2000 устанавливать на компьютер не ме­нее 64 Мбайт оперативной памяти. Дальнейшее развитие в сторону мультимедийных систем накладывает еще большие требования на размер оперативной памяти.

Самая простая схема управления памятью - однозадачная систе­ма без подкачки на диск - заключается в том, что в каждый момент времени работает только одна программа, и память разделяется меж­ду программами и операционной системой. Когда система органи­зована таким образом, в каждый конкретный момент времени мо­жет работать только один процесс. Как только пользователь набирает команду, ОС копирует запрашиваемую программу с диска в память и выполняет ее, а после окончания процесса выводит на экран сим­вол приглашения и ждет новой команды. Получив команду, она за­гружает новую программу в память, записывая ее поверх предыду­щей. Так работают компьютеры с операционной системой MS-DOS.

Большинство современных систем позволяет одновременный запуск нескольких процессов. Наличие нескольких процессов, рабо­тающих в один и тот же момент времени, означает, что когда один процесс приостановлен в ожидании завершения операции ввода-вы­вода, другой может использовать центральный процессор. Таким об­разом, многозадачность увеличивает загрузку процессора. На сетевых серверах всегда одновременно работают несколько процессов (для разных клиентов), но и большинство клиентских машин в наши дни также имеют эту возможность. Самый простой способ достижения многозадачности состоит в разбиении памяти на n , возможно, не равных, разделов. Когда задание поступает в память, оно располага­ется во входной очереди к наименьшему разделу, достаточно боль­шому для того, чтобы вместить это задание. Так как размер разделов неизменен, то все неиспользуемое работающим процессом простран­ство в разделе пропадает. Недостаток этого способа заключается в том, что к большому разделу очереди почти не бывает, а к малень­ким разделам выстраивается довольно много задач. Небольшие за­дания должны ждать своей очереди, чтобы попасть в память, несмот­ря на то, что свободна основная часть памяти. Усовершенствованный способ заключается в организации одной общей очереди для всех разделов. Как только раздел освобождается, задачу, находящуюся ближе к началу очереди и подходящую для выполнения в этом раз­деле, можно загрузить в него и начать ее обработку. С другой сторо­ны, нежелательно тратить большие разделы на маленькие задачи, поэтому существует другая стратегия. Она заключается в том, что каждый раз после освобождения раздела происходит поиск в очере­ди наибольшего для этого раздела задания, и именно оно выбирает­ся для обработки. Однако этот алгоритм отстраняет от обработки небольшие задачи, хотя необходимо предоставить для мелких задач лучшее обслуживание. Выходом из положения служит создание хотя бы одного маленького раздела, который позволит выполнять мелкие задания без долгого ожидания освобождения больших разделов. Дру­гой подход предусматривает следующий алгоритм: задачу, которая имеет право быть выбранной для обработки, можно пропустить не более k раз. Когда задача пропускается, к счетчику добавляется еди­ница. Если значение счетчика стало равным k , игнорировать задачу больше нельзя.

При использовании многозадачности повышается эффективность загрузки ЦП. Если средний процесс выполняет вычисления только 20 % от времени, которое он находится в памяти, то при обработке пяти процессов ЦП должен быть загружен полностью. Реальная же ситуация предполагает, что все пять процессов никогда не ожидают завершения операции ввода-вывода одновременно.

Организация памяти в виде фиксированных разделов проста и эффективна для работы с пакетными системами. До тех пор, пока в памяти может храниться достаточное количество задач для обеспечения постоянной занятости ЦП, причин для усложнения алгорит­ма нет.

Однако совсем другая ситуация складывается с системами раз­деления времени или компьютерами, ориентированными на работу с графикой. Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы разместить все активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки переносить их в память.

Существуют два основных способа управления памятью, зави­сящие частично от доступного аппаратного обеспечения. Самая про­стая стратегия, называемая свопингом (swapping) или подкачкой, со­стоит в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск. Другая стратегия, носящая название виртуальной памяти, позволяет программам работать даже тогда, когда они только частично нахо­дятся в оперативной памяти.

Работа системы свопинга заключается в следующем. Пусть имеются остальные - на диске. Например, программа размером 16 Мбайт сможет работать на машине с 4 Мбайт памяти, если тщательно про­думать, какие 4 Мбайт должны храниться в памяти в каждый момент времени. При этом части программы, находящиеся на диске и в па­мяти, будут меняться местами по мере необходимости.

Виртуальная память может также работать в многозадачной си­стеме при одновременно находящихся в памяти частях многих про­грамм. Когда программа ждет перемещения в память очередной своей части, она находится в состоянии ввода-вывода и не может работать, поэтому ЦП может быть отдан другому процессу.

3. Ввод-Вывод

Одной из важнейших функций ОС является управление устрой­ствами ввода-вывода компьютера. Операционная система дает этим устройствам команды, перехватывает прерывания и обрабатывает ошибки. Она должна обеспечить простой и удобный интерфейс меж­ду устройствами и остальной частью системы. Интерфейс должен быть одинаковым для всех устройств с целью достижения независи­мости от применяемой аппаратуры. Программное обеспечение вво­да-вывода составляет существенную часть операционной системы.

Устройства ввода-вывода можно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства. Блочные устройства хранят информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока имеется свой адрес. Размеры блоков колеблются от 521 до 32 768 байт. Важное свойство блочного устройства состоит в том, что каждый его блок может быть прочитан независимо от ос­тальных блоков. Наиболее распространенными блочными устрой­ствами являются диски.

Другой тип устройств ввода-вывода - символьные устройства. Символьное устройство принимает или предоставляет поток неструк­турированных символов. Оно не является адресуемым и не выпол­няет операцию поиска. Принтеры, сетевые адаптеры, мыши и боль­шинство других устройств, не похожих на диски, можно считать символьными устройствами.

Такая классификация является условной. Некоторые устройства не попадают ни в одну из категорий. Например, часы не являются блок-адресуемыми. Они не формируют и не принимают символьных потоков. Вся их работа заключается в инициировании прерываний в строго определенные моменты времени. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько общей, что может служить основой для достижения независимости программного обеспечения ОС от устройств ввода-вывода. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от уст­ройств часть оставляет программному обеспечению низкого уровня.

Устройства ввода-вывода обычно состоят из механической и электронной частей. Механический компонент находится в самом устройстве. Электронный компонент устройства называется контрол­лером или адаптером. В современных компьютерах контроллеры встраиваются в материнскую плату или располагаются на самом ус­тройстве ввода-вывода. Многие контроллеры способны управлять несколькими идентичными устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством является официальным стандартом ANSI, IEEE или ISO либо фактическим стандартом, то различные производители могут выпускать отдельно устройства и контроллеры, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так производятся жесткие диски, соответствующие интерфейсу IDE (Integrated Drive Electronics - встроенный интерфейс накопителей) или SCSI (Small Computer System Interface - системный интерфейс малых компьютеров).

Часто интерфейс между устройством и контроллером является интерфейсом низкого уровня. С диска в контроллер поступает по­следовательный поток битов, начинающийся с заголовка сектора (преамбулы), за которым следует 4096 бит в секторе, и контрольная сумма, называемая кодом исправления ошибок ЕСС (Error Correcting Code). Заголовок сектора записывается на диск во время формати­рования. Он содержит номера цилиндра и сектора, размер сектора, коды синхронизации и другую служебную информацию.

Работа контроллера заключается в конвертировании последова­тельного потока битов в блок байтов и коррекцию ошибок. Обычно байтовый блок накапливается в буфере контроллера. Затем проверя­ется контрольная сумма блока, и если она совпадает с указанной в заголовке сектора, то блок считается принятым без ошибок. После этого блок копируется в оперативную память.

Контроллер монитора (видеоадаптер) работает на таком же низком уровне. Он считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы, используемые для модуляции луча электронной трубки, заставляющие ее выводить изображение на экран. Видеоадаптер формирует сигналы, управля­ющие горизонтальным и вертикальным возвратом луча. Операцион­ная система только инициализирует контроллер, задавая небольшое количество параметров, таких, как количество пикселов в строке и число строк на экране, а всю работу по управлению передвижения­ми луча по экрану выполняет контроллер.

Ключевая концепция разработки ПО ввода-вывода формулиру­ется как независимость от устройств. Эта концепция означает воз­можность написания программ, способных получать доступ к лю­бому устройству ввода-вывода без предварительного указания конкретного устройства. Например, программа, читающая данные из входного файла, должна одинаково успешно работать с файлом на дискете, жестком диске или компакт-диске. При этом не должны требоваться какие-либо изменения в программе. В качестве выход­ного устройства также может быть указан экран, файл на любом дис­ке или принтер. Все проблемы, связанные с отличиями этих уст­ройств, снимает операционная система.

Тесно связан с концепцией независимости от устройств прин­цип единообразного именования. Имя файла или устройства должно быть просто текстовой строкой или целым числом. Оно никак не должно зависеть от физического устройства.

Другим важным аспектом ПО ввода-вывода является обработка ошибок. Ошибки должны обрабатываться как можно ближе к аппа­ратуре. Если контроллер обнаружил ошибку чтения, он должен по возможности исправить эту ошибку сам. Если он не может это сде­лать, то ошибку должен обработать драйвер устройства. Многие ошибки бывают временными, например ошибки чтения, вызванные пылинками на читающих головках. Такие ошибки исчезают при по­вторном чтении блока. Только если нижний уровень не может сам справиться с проблемой, о ней следует информировать верхний уро­вень. Во многих случаях восстановление может осуществляться на нижнем уровне, так, что верхние уровни даже не будут знать о на­личии ошибок.

Одним из ключевых вопросов является способ переноса данных - синхронный (блокирующий) или асинхронный (управляемый прерываниями). Большинство операций ввода-вывода на физическом уровне являются асинхронными - ЦП запускает перенос данных и переключается на другой процесс, пока не придет прерывание.

Еще одним аспектом ПО ввода-вывода является буферизация. Часто данные, поступающие с устройства, не могут быть сохранены там, куда они направлены. Например, когда пакет приходит по сети, ОС не знает, куда его поместить, пока не будет проанализировано его содержимое. Буферизация предполагает копирование данных в больших количествах, что часто является основным фактором сни­жения производительности операций ввода-вывода.

И последним понятием, которое связано с вводом-выводом, яв­ляется понятие выделенных устройств и устройств коллективного ис­пользования. С некоторыми устройствами, такими как диски, может одновременно работать большое количество пользователей. При этом не должно возникать проблем при одновременном открытии на од­ном и том же диске нескольких файлов. Другие устройства, такие как накопители на магнитной ленте, предоставляются в монопольное пользование. Пока не завершит свою работу один пользователь на­копитель не может быть предоставлен другому пользователю. ОС должна уметь управлять как устройствами общего доступа, так и выделенными устройствами.

Существуют три различных способа осуществления операций ввода-вывода. Простейший вид ввода-вывода состоит в том, что всю работу выполняет центральный процессор. Этот метод называется программным вводом-выводом. ЦП вводит или выводит каждый байт или слово, находясь в цикле ожидания готовности устройства вво­да-вывода. Второй способ представляет собой управляемый прерыва­ниями ввод-вывод, при котором ЦП начинает передачу ввода-выво­да для символа или слова, после чего переключается на другой процесс, пока прерывание от устройства не сообщит ему об оконча­нии операции ввода-вывода. Третий способ заключается в исполь­зовании прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access), при котором отдельная микросхема управляет переносом целого бло­ка данных и инициирует прерывание только после окончания опе­рации переноса блока.

Заключение

На данный момент мировая компьютерная индустрия развивается очень стремительно. Производительность систем возрастает, а следовательно возрастают возможности обработки больших объёмов данных. Операционные системы класса MS-DOS уже не справляются с таким потоком данных и не могут целиком использовать ресурсы современных компьютеров. Поэтому она больше нигде широко не используется. Все стараются перейти на более совершенные ОС, какими являются UNIX и Windows. В данной курсовой работе я рассмотрел основное понятие ОС, особенности ее работы, вкратце рассмотрел ее основные характеристики, такие как управление памятью и ввод-вывод информации.

Список литературы

1. Соболь Б.В., Галин А.Б. и др. Информатика. Ростов н/Д, Феникс, 2007. -446с.

2. Сергеева И.И., Музалевская Н.В. и др. Информатика: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. -336с.

3. Степанов А.Н. Информатика: Учебник для вузов. 4-е изд.-СПБ.: Питер, 2006. -684с.

4. Симонович С.В. Информатика - базовый курс. 2-ое издание, - СПб: Питер, 2004. -640с.

Под памятью понимается оперативная память компьютера. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью , оперативная память для сохранения информации требует постоянное электропитание.

Особая роль памяти в том, что процессор может выполнять инструкции программы только в том случае, если они находятся в памяти.

Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:

· отслеживание свободной и занятой памяти;

· выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;

· вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

· настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Во время работы ОС приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и потоков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы для обмена данными и т.п. Все эти системные объекты требуют памяти.

В некоторых ОС во время установки резервируется некоторый фиксированный объем памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически.

Защита памяти - еще одна важная задача ОС. Она состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена, виртуальные адреса и физические адреса.

· Символьные имена присваивает пользователь при написании программы.

· Виртуальные (условные) адреса , вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык.

· Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены переменные и команды.

Совокупность виртуальных адресов называется виртуальным адресный пространством .

Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же. Тем не менее, каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство - транслятор присваивает виртуальные адреса переменным и кодам каждой программе независимо.

В разных ОС используются разные способы структуризации адресного пространства.

1. Линейная последовательности виртуальных адресов. Такая структура адресного пространства называют также плоской (flat ). При этом виртуальным адресом является единственное число, представляющее собой смещение относительно начала виртуального адресного пространства. Адрес такого типа называют линейным виртуальным адресом.

2. Виртуальное адресное пространство делится на части, называемые сегментами. Виртуальный адрес представляющий собой пару чисел (n , m ), где n определяет сегмент, a m - смещение внутри сегмента.

3. Есть более сложные способы структуризации, когда виртуальный адрес образуется тремя или даже более числами.

Существуют два принципиально отличающихся подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические.

1.Замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Выполняет это системная программа - перемещающий загрузчик - на основании имеющихся у нее исходных данных о начальном адресе физической памяти, а также информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых элементах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

2. Программа загружается в память в неизмененном виде в виртуальных адресах. При загрузке ОС фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический.

Последний способ является более гибким: в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти, динамическое преобразование виртуальных адресов позволяет перемещать программный код процесса в течение всего периода его выполнения.

Как правило, объем виртуального адресного пространства превышает доступный объем оперативной памяти. В таком случае ОС для хранения данных виртуального адресного пространства использует дополнительную внешнюю память.

Однако соотношение объемов виртуальной и физической памяти может быть и обратным.

Следует помнить, что механизмы виртуального адресного пространства, и виртуальной памяти в общем случае – это не одно и тоже. Можно представить себе ОС, в которой поддерживаются виртуальные адресные пространства для процессов, но отсутствует механизм виртуальной памяти. Это возможно только в том случае, если размер виртуального адресного пространства каждого процесса меньше объема физической памяти.

Содержимое назначенного процессу виртуального адресного пространства, представляет собой образ процесса .

Во время работы процесса постоянно выполняются переходы от прикладных кодов к кодам ОС, которые либо явно вызываются из прикладных процессов как системные функции, либо вызываются как реакция на внешние события. Для того чтобы упростить передачу управления от прикладного кода к коду ОС, а также для легкого доступа модулей ОС к прикладным данным, в большинстве ОС ее сегменты разделяют виртуальное адресное пространство с прикладными сегментами активного процесса.

То есть виртуальное адресное пространство процесса делится на две непрерывные части: системную и пользовательскую. В некоторых ОС (например, Windows NT) эти части имеют одинаковый размер - по 2 Гбайт.

Часть виртуального адресного пространства каждого процесса, отводимая под сегменты ОС, является идентичной для всех процессов. Поэтому при смене активного процесса заменяется только вторая часть виртуального адресного пространства. Например, в процессорах Intel Pentium существует два типа системных таблиц: одна - для описания сегментов, общих для всех процессов, другая - для описания индивидуальных сегментов данного процесса. При смене процесса первая таблица остается неизменной, а вторая – заменяется новой.

Лекция 8. Управление памятью в ОС

4.4.3. Стратегии размещения

4.1. Понятие об организации и управлении физической памятью в операционных системах

Организация и управление основной (первичной, физической, реальной) памятью вычислительной машины - один из важнейших факторов, определяющих построение операционных систем. В англоязычной технической литературе память обозначается синонимами memory и storage.

В операционных системах различают два вида памяти: основная (первичная) и внешняя (вторичная).

Основная память (main storage) - оперативная память центрального процессора или ее часть, представляющее собой единое пространство памяти.

Внешняя память (external storage) - память, данные в которой доступны центральному процессору посредством операций ввода-вывода.

Для непосредственного выполнения программ или обращения к данным необходимо, чтобы они размещались в основной памяти. Внешняя память имеет, как правило, гораздо большую емкость, чем основная, стоит дешевле и позволяет хранить данные и программы, которые должны быть наготове для обработки.

Кроме основной и внешней памяти в современных ЭВМ существует дополнительная быстродействующая память, называемая кэш-памятью .

Все три перечисленных вида памяти образуют иерархию памяти вычислительной машины (см. рис.4.1).

Операционным системам с несколькими уровнями иерархии памяти свойственна высокая интенсивность челночных обменов программами и данными между физическими устройствами памяти различных уровней. Такие обмены отнимают системные ресурсы (например, время центрального процессора), которые можно было бы использовать более продуктивно.

Основная память представляет собой один из самых дорогостоящих ресурсов. Главной задачей при разработке ОС считается оптимальное использование основной памяти на основе рациональной организации и управления ею.

Под организацией памяти понимается то, каким образом представляется и как используется основная память.

В операционных системах применяются следующие виды представления основной памяти:

• фиксированными блоками равного размера;
• фиксированными разделами неодинакового размера;
• динамическими разделами, размеры которых изменяются в ходе работы вычислительной системы.

Использование основной памяти может осуществляться следующими способами:

• размещение в памяти единовременно только одной программы пользователей;
• размещение в памяти одновременно нескольких программ пользователей;
• размещение программ пользователей в конкретном заранее заданном разделе основной памяти;
• размещение каждой программы пользователя в одном непрерывном (односвязном) пространстве основной памяти;
• размещение программы пользователя в несмежных областях оперативной памяти (при этом ОС осуществляет разбиение размещаемых там программ на отдельные блоки и обеспечивает связь этих блоков между собой).

В операционных системах может применяться любая комбинация перечисленных видов представления и способов использования основной памяти ЭВМ.

Независимо от того, какая схема организации памяти принята для конкретной ОС, необходимо решить, какие стратегии следует применять для достижения оптимальных характеристик.

Стратегии управления памятью определяют, как будет работать память с конкретной схемой организации при различных подходах к решению следующих вопросов:

· когда следует поместить новую программу в память;

· в какое место основной памяти будет размещаться очередная программа;

· как разместить очередную программу в памяти (с минимизацией потерь памяти или с максимизацией скорости размещения);

· какую из находящихся в памяти программ следует вывести из памяти, если необходимо обязательно разместить новую программу, а память уже заполнена.

В существующих ОС реализованы стратегии управления, по-разному отвечающие на перечисленные выше вопросы, что в немалой степени обусловлено имеющимися в распоряжении разработчиков аппаратурными и программными средствами.

Стратегии управления памятью делятся на следующие категории:

· стратегии выборки;

· стратегии размещения;

· стратегии замещения.

В свою очередь стратегии выборки разделяют на две подкатегории:

· стратегии выборки по запросу (по требованию);

· стратегии упреждающей выборки.

Стратегии выборки ставят своей целью определить, когда следует “втолкнуть” очередную программу (или блок программы) или данные в основную память.

Стратегии размещения ставят своей целью определить, в какое место основной памяти следует размещать поступающую программу. Наиболее распространенными являются стратегии размещения, реализующие принципы занятия “первого подходящего”, “наиболее подходящего” и “наименее подходящего” по размерам свободного участка памяти.

Стратегии замещения ставят своей целью определить, какой блок программы или данных следует вывести (“вытолкнуть”) из основной памяти, чтобы освободить место для размещения вновь поступающих программ или данных.

При реализации стратегий размещения операционные системы часто учитывают требования связного распределения памяти для программ и данных.

Связное распределение памяти - такое распределение основной памяти ЭВМ, при котором каждая программа занимает один непрерывный (связный) блок ячеек памяти.

Несвязное распределение памяти - такое распределение основной памяти ЭВМ, при котором программа пользователя разбивается на ряд блоков (сегментов, страниц), которые могут размещаться в основной памяти в участках, не обязательно соседствующих друг с другом (в несмежных участках). В этом случае обеспечивается более эффективное использование пространства основной памяти.

Эффективность той или иной стратегии размещения можно оценить с помощью коэффициента использования памяти h

(4.1)

где V п - объем памяти, занимаемый программами пользователя; V оп - полный объем основной памяти; V ос - объем памяти, занимаемый операционной системой; V о - объем памяти, доступный для распределения.

4.2. Методы связного распределения основной памяти

4.2.1. Связное распределение памяти для одного пользователя

Связное распределение памяти для одного пользователя, называемое также одиночным непрерывным распределением, применяется в ЭВМ, работающих в пакетном однопрограммном режиме под управлением простейшей ОС.

Вся основная часть ЭВМ, не занятая программами операционной системы, выделяется программе единственного на данном отрезке времени пользователя. Размер программы в этом случае ограничивается размером доступной основной памяти, однако существует возможность выполнения программ, размер которых превышает размер основной памяти, используя механизм оверлеев.

Организация памяти при связном распределении для одного пользователя показана на рис. 4.2.

Коэффициент использования памяти для рассматриваемого случая вычисляется по формуле

h с1 =V п /V o , (4.2)

где V п - размер программы пользователя; V о - объем доступной для распределения основной памяти ЭВМ.

Функциями ОС в данном случае являются:

· выделение программе необходимого пространства памяти;

· защита памяти;

· освобождение памяти.

Функция выделения памяти сводится к предоставлению программе всей доступной памяти ЭВМ.

Защита памяти в однопрограммных системах заключается в установке защиты областей памяти, занятых операционной системой, от воздействия программ пользователя. Эта функция реализуется при помощи одного регистра границы , встроенного в центральный процессор. Регистр границы содержит либо старший адрес команды, относящийся к операционной системе, либо младший адрес доступной программе основной памяти (адрес начала программы). Если программа пользователя пытается войти в область операционной системы, то вырабатывается прерывание по защите памяти, и программа аварийно завершается.

4.2.2. Связное распределение памяти при мультипрограммной обработке

При мультипрограммной обработке в памяти компьютера размещается сразу несколько заданий. Распределение памяти между заданиями в этом случае может быть выполнено следующими способами:

· распределение фиксированными разделами;

· распределение переменными разделами;

· распределение со свопингом.

Распределение фиксированными разделами имеет две модификации:

а) с загрузкой программ в абсолютных адресах;

б) с загрузкой перемещаемых модулей.

При загрузке перемещаемых модулей вся оперативная память машины разбивается на некоторое количество разделов фиксированного размера. Размеры разделов могут не совпадать. В каждом разделе может быть размещено только одно задание.

В случае загрузки программ в абсолютных адресах при их подготовке указывается начальный адрес загрузки программ, совпадающий с начальным адресом раздела, в котором эта программа будет выполняться.

В случае загрузки перемещаемых модулей раздел, в котором будет размещено задание, либо автоматически определяется операционной системой в соответствии с реализованной в нем стратегией выбора раздела (“первый подходящий”, “самый подходящий”, “самый неподходящий”), либо указывается операционной системе специальными командами языка управления заданиями.

В обоих случаях задание монопольно владеет всем объемом оперативной памяти раздела, в который оно было помещено операционной системой.

Коэффициенты использования памяти при распределении с фиксированными разделами вычисляется по формулам:

(4.3)

(4.4)

где h СMi - коэффициент использования памяти i-го раздела; V Оi - размер i-го раздела; V Пi - длина программы, помещенной в i-ый раздел; N Ф - количество разделов; V О - общий объем оперативной памяти, доступной для распределения.

Основным недостатком распределения памяти фиксированными разделами является неэффективное использование ресурсов вычислительной системы из-за возможного появления длинных очередей заданий, ожидающих освобождения конкретного раздела в то время, как остальные разделы пусты. Подобная ситуация изображена на рис. 4.3. Задания, ожидающие освобождения раздела С, могли бы разместиться и в разделах А или В, однако операционная система не позволяет им это сделать, т.к. в управляющей информации указан конкретный раздел, в котором эти задания должны выполняться - раздел С.

Способ распределения памяти фиксированными разделами используется в операционных системах ОС ЕС и IBM/360 в режиме MFT, в котором загрузка программ выполняется перемещаемыми модулями.

Защита памяти при распределении фиксированными разделами выполняется аналогично защите памяти для одного пользователя, только теперь необходимо наличие нескольких граничных регистров - по два регистра на каждый раздел. В одном из граничных регистров указывается нижняя граница раздела, а во втором - его верхняя граница. Если программа пользователя пытается обратиться к данным, расположенным вне области адресов данного раздела, то вырабатывается прерывание по защите памяти.

В мультипрограммных системах с фиксированными разделами наблюдается явление фрагментации памяти.

Фрагментация памяти - появление в памяти вычислительной машины чередования занятых и незанятых (свободных) участков оперативной памяти.

При распределении фиксированными разделами появление фрагментации обусловлено тем, что либо задания пользователей не полностью занимают выделенные им разделы, либо часть разделов остается незанятой.

На рис.4.4. показано проявление фрагментации оперативной памяти.

Уровень фрагментации можно оценить коэффициентом фрагментации K ф, вычисляемый по формуле

(4.5)

Где V дi - размер i-ой “дыры”, т.е. i-го участка свободной памяти, ограниченного программами пользователей; N Д - количество “дыр”, т.е. участков свободной памяти, лежащих между программами пользователей; V o - объем оперативной памяти, доступной для распределения.

Фрагментация памяти представляет собой нарушение односвязности пространства свободной памяти ЭВМ, что приводит к снижению эффективности использования памяти как одного из основных ресурсов вычислительной машины.

Распределение памяти переменными разделами предназначено для повышения эффективности использования оперативной памяти ЭВМ. Суть способа распределения памяти переменными разделами состоит в том, что заданиям, когда они поступают, выделяется такой объем памяти, который им требуется, т.е. размер раздела оперативной памяти, выделяемой каждому заданию, в точности соответствует размеру этого задания. Поэтому “перерасхода” памяти, как это происходит при распределении фиксированными разделами, в данном способе не наблюдается.

Имеется две модификации способа распределения переменными разделами:

· распределение переменными неперемещаемыми разделами;

· распределение переменными перемещаемыми разделами.

При распределении памяти переменными неперемещаемыми разделами (динамическими разделами) операционная система создает две таблицы: таблицу учета распределенных областей памяти и таблицу учета свободных областей памяти (“дыр”).

При поступлении очередного задания память для него отводится на этапе долгосрочного планирования, причем выделение памяти осуществляется по информации из таблицы учета “дыр” в соответствии с принятой в ОС стратегией размещения (“первый подходящий”, “самый подходящий”. “самый неподходящий”). При успешном распределении ОС корректирует обе таблицы - распределенных и свободных областей.

После окончания какого-либо задания занимаемый им участок памяти освобождается, и операционная система корректирует таблицу распределенных областей, вычеркивая из нее информацию о закончившемся задании, а также заносит в таблицу свободных областей данные о вновь появившейся “дыре”.

Рассмотрим следующий пример. Пусть начальное распределение памяти переменными разделами выполнено так, как показано в табл.4.1, 4.2 и на рис. 4.5а. После размещения заданий А, В, С и Д осталась свободная область такого размера, что ни одна из программ, продолжающих стоять в очереди, в эту область не помещается.

Таблица 4.1. Таблица распределенных областей

Номер раздела, ключ защиты	Имя раздела	Размер	Адрес	Состояние
		100К 200К 100К 400К 100К	50К 150К 350К 450К 850К	Распределен Распределен Распределен Распределен Распределен

Таблица 4.2. Таблица свободных областей

Номер свободной области	Размер	Адрес	Состояние
	100К	950К	Доступна

Предположим, что через некоторое время закончились задания А и С (см. рис.4.5б). Таблицы областей приобретают вид, показанный в табл. 4.3 и 4.4.

Таблица 4.3. Таблица распределенных областей: закончилось задание А

Номер раздела, ключ защиты	Имя раздела	Размер	Адрес	Состояние
		200К 400К 100К	150К 450К 850К	Пусто Распределен Пусто Распределен Распределен

Таблица 4.4. Таблица свободных областей: закончилось задание А

Номер свободной области	Размер	Адрес	Состояние
	100К 100К 100К	100К 350К 950К	Доступна Доступна Доступна

Можно видеть, что несмотря на наличие 274К свободной памяти, достаточной для размещения задания Е, стоящего первым в очереди, ОС не имеет возможности это сделать, т.к. свободная память разбита на два фрагмента по 100К каждый, в которых разместить программы, стоящие в очереди, невозможно. Этот пример иллюстрирует главный недостаток способа распределения переменными неперемещаемыми разделами - склонность к фрагментации основной памяти, что снижает эффективность работы вычислительной системы.

При распределении памяти переменными перемещаемыми разделами операционная система осуществляет действия, называемые уплотнением памяти, состоящими в перемещении всех занятых участков к одному или другому краю основной памяти. Благодаря этому вместо большого количества небольших “дыр”, образующихся при использовании распределения переменными неперемещаемыми разделами, формируется единый (связный) участок свободной памяти. На рис.4.5в показан результат уплотнения, когда находящиеся в основной памяти программы В, Д и Е перемещены на свободные участки после окончания работы программ А и С. Свободная память теперь представляет собой непрерывную область размером 274К, в которую ОС может поместить стоящее в очереди задание F. Этот процесс называют также дефрагментацией памяти.

Дефрагментация памяти, применяемая при распределении перемещаемыми разделами, имеет свои недостатки:

• требуются дополнительные затраты времени;
• во время уплотнения памяти система должна прекращать (приостанавливать) все другие работы, что зачастую может оказаться неприемлемым;
• необходимость перемещения заданий в памяти требует хранения значительного объема информации, связанной с размещением программ в памяти, что увеличивает требования к памяти со стороны ОС;
• при интенсивном потоке коротких программ может возникнуть необходимость частой дефрагментации памяти, так что затачиваемые на эти цели системные ресурсы могут оказаться неоправданными получаемой выгодой.

Распределение памяти со свопингом (от англ. swapping - подкачка) характеризуется тем, что в отличие от рассмотренных ранее способов распределения программы пользователей не остаются в основной памяти до момента их завершения. В простейшей системе со свопингом в каждый момент времени только одно задание пользователя находится в основной памяти и занимает ее до тех пор, пока оно может выполняться, а затем освобождает как память, так и центральный процессор для следующего задания. Таким образом, вся память целиком на короткий период выделяется одному заданию, затем в некоторый момент времени это задание выводится (выталкивается, т.е. осуществляется “откачка”), а очередное задание вводится (вталкивается, т.е. осуществляется “подкачка”). В обычном случае каждое задание, еще до своего завершения, будет много раз перекачиваться из внешней памяти в основную и обратно.

Для обеспечения свопинга во внешней памяти ОС создает один или несколько файлов подкачки, где хранятся образы оперативной памяти находящихся в работе заданий пользователей. Способ распределения памяти со свопингом применяется в простейших ОС, работающих в режиме разделения времени.

4.2.3. Стратегии размещения информации в памяти

Стратегии размещения информации в памяти предназначены для того, чтобы определить, в какое место основной памяти следует помещать поступающие программы и данные при распределении памяти неперемещаемыми разделами. Наиболее часто применяются следующие стратегии:

• размещение с выбором первого подходящего (стратегия “первый подходящий”):
• размещение с выбором наиболее подходящего (стратегия “самый подходящий”);
• алгоритм с выбором наименее подходящего (стратегия “самый неподходящий”).

Стратегия “первый подходящий” состоит в выполнении следующих шагов:

• возрастания адресов ;
• поместить информацию в первый встретившийся участок основной памяти размером не менее требуемого.

Стратегия “самый подходящий” реализует следующую последовательность действий:

• упорядочить таблицу свободных областей в порядке возрастания размеров свободных областей:

Стратегия “самый неподходящий” выполняет следующие действия:

• упорядочить таблицу свободных областей в порядке убывания размеров областей;
• поместить информацию в первый встретившийся участок свободной памяти размером не менее требуемого.

Строгих доказательств преимущества той или иной стратегии перед остальными не существует, так что их применение в операционных системах основано на интуитивных аргументах разработчиков ОС.

4.3. Организация виртуальной памяти

4.3.1. Основные концепции виртуальной памяти

Термин виртуальная память обычно ассоциируется с возможностью адресовать пространство памяти, гораздо большее, чем емкость первичной (реальной, физической) памяти конкретной вычислительной машины. Концепция виртуальной памяти впервые была реализована в машине, созданной в 1960 г. в Манчестерском университете (Англия). Однако широкое распространение системы виртуальной памяти получили лишь в ЭВМ четвертого и последующих поколений.

Существует два наиболее известных способа реализации виртуальной памяти - страничная и сегментная. Применяется также их комбинация - странично-сегментная организация виртуальной памяти.

Все системы виртуальной памяти характеризуются тем, что адреса, формируемые выполняемыми программами, не обязательно совпадают с адресами первичной памяти. Виртуальные адреса, как правило, представляют гораздо большее множество адресов, чем имеется в первичной памяти.

Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной памяти.

Адреса, которые реально существуют в первичной памяти, называются реальными (физическими) адресами.

Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться выполняющийся процесс, называется пространством виртуальных адресов V этого процесса.

Диапазон реальных адресов, существующих в конкретной вычислительной машине, называется пространством реальных адресов R этой ЭВМ.

Несмотря на то, что процессы обращаются только к виртуальным адресам, в действительности они должны работать с реальной памятью. Для установления соответствия между виртуальными и реальными адресами разработаны механизмы динамического преобразования адресов ДПА (или ДАТ - от англ.Dynamics Adress Transformation), обеспечивающие преобразование виртуальных адресов в реальные во время выполнения процесса. Все подобные системы обладают общим свойством (см.рис.4.6) - смежные адреса виртуального адресного пространства процесса не обязательно будут смежными в реальной памяти.

Это свойство называют “искусственной смежностью”. Тем самым пользователь освобождается от необходимости рассматривать физическую память с ее уникальными характеристиками.

Виртуальная память строится, как правило, по двухуровневой схеме (см.рис.4.7).

Первый уровень - это реальная память, в которой находятся выполняемые процессы и в которой должны размещаться данные, к которым обращаются эти процессы.

Второй уровень - это внешняя память большой емкости, например, накопители на магнитных дисках, способные хранить программы и данные, которые не могут все сразу уместиться в реальной памяти из-за ограниченности ее объема. Память второго уровня называют вторичной или внешней.

В мультипрограммных режимах реальная память разделяется между многими процессами. Поскольку каждый процесс может иметь гораздо большее пространство виртуальных адресов, чем реальная память, то в текущий момент времени в реальной памяти имеется возможность держать лишь небольшую часть программных кодов и данных каждого процесса, причем даже эти небольшие части кодов и данных не обязательно будут размещаться сплошным массивом реальной памяти (свойство “искусственной смежности ”).

Механизм динамического преобразования адресов ведет учет того, какие ячейки виртуальной памяти в данный момент находятся в реальной памяти и где именно они размещаются. Это осуществляется с помощью таблиц отображения, ведущихся механизмом ДПА.

Информация, перемещаемая из виртуальной памяти в реальную, механизмом ДПА группируется в блоки , и система следит за тем, в каких местах реальной памяти размещаются различные блоки виртуальной памяти. Размер блока влияет на то, какую долю реальной памяти ДПА будет использовать непроизводительно, для своих целей.

Если блоки имеют одинаковый размер, то они называются страницами страничной. Если блоки могут быть различных размеров, то они называются сегментами , а соответствующая организация виртуальной памяти называется сегментной . В некоторых системах оба подхода комбинируются, т.е. сегменты реализуются как объекты переменных размеров, формируемые из страниц фиксированного размера. Такая организация виртуальной памяти называется либо сегментно-страничной, либо странично-сегментной.

Адреса в системе поблочного отображения являются двухкомпонентными (двумерными). Чтобы обратиться к конкретному элементу данных, программа указывает блок, в котором расположен этот элемент, и смещение элемента относительно начала блока (см.рис.4.8). Виртуальный адрес n указывает при помощи упорядоченной пары (b, d), где b- номер блока, в котором размещается соответствующий элемент данных, а d - смещение относительно начального адреса этого блока.

Преобразование адреса виртуальной памяти n =(b, d) в адрес реальной памяти r осуществляется следующим образом (см.рис.4.9). Каждый процесс имеет собственную таблицу отображения блоков, которую операционная система ведет в реальной памяти. Реальный адрес a этой таблицы загружается в специальный регистр центрального процессора, называемый регистром начального адреса таблицы отображения блоков процесса.

Таблицы отображения блоков содержат по одной строке для каждого блока процесса, причем эти блоки идут последовательно: сначала блок 0, затем блок 1 и т.д. Номер блока b суммируется с начальным адресом а таблицы, образуя реальный адрес строки таблицы для блока b. Найденная строка содержит реальный адрес b начала блока b в реальной памяти. К этому начальному адресу b прибавляется смещение d, так что образуется искомый реальный адрес r=b’+d.

Все методы поблочного отображения, применяемые в системах с сегментной, страничной и комбинированной странично-сегментной организациями, подобны схеме отображения, показанной на рис. 4.9, называемой схемой прямого отображения.

4.3.2. Страничная организация виртуальной памяти

Виртуальный адрес при чисто страничной организации памяти _ это упорядоченная пара (p, d), где p - номер страницы в виртуальной памяти, а d - смещение в рамках страницы p. Процесс может выполняться, если его текущая страница находится в первичной памяти. Страницы переписываются из внешней памяти в первичную и размещаются в ней в блоках, называемых страничными кадрами и имеющих точно такой же размер, как у поступающих страниц. Страничные кадры начинаются в реальной памяти с адресов, кратных фиксированному размеру страниц. Поступающая страница может быть помещена в любой свободный страничный кадр.

Для обеспечения работы механизма отображения страниц формируется таблица отображения страниц, каждая строка которой содержит информацию об отображаемой странице виртуальной памяти:

r - признак наличия страницы в первичной памяти (r=0 - страницы в первичной памяти нет; 1 - страница находится в первичной памяти):

S - адрес страницы во внешней памяти (при r=0):

p’ - номер страничного кадра в первичной памяти, где размещена виртуальная страница с номером p.

4.3.3. Сегментная организация виртуальной памяти

Виртуальный адрес при сегментной организации виртуальной памяти - это упорядоченная пара n = (s, d) , где s - номер сегмента виртуальной памяти, а d - смещение в рамках этого сегмента. Процесс может выполняться только в том случае, если его текущий сегмент находится в первичной памяти, Сегменты передаются из внешней памяти в первичную целиком. Все ячейки, относящиеся к сегменту, занимают смежные адреса первичной памяти. Для размещения поступающих из внешней памяти сегментов в свободные участки первичной памяти применяются те же стратегии размещения, как и при распределении переменными неперемещаемыми разделами - “первый подходящий”, “самый подходящий”, “самый неподходящий” (см.п.4.2.3). Динамическое преобразование виртуальных адресов в реальные адреса осуществляется в соответствии со схемой прямого отображения, приведенной на рис. 4.9.

4.3.4. Странично-сегментная организация виртуальной памяти

Системы со странично-сегментной организацией обладают достоинствами обоих способов реализации виртуальной памяти. Сегменты обычно содержат целое число страниц, причем не обязательно, чтобы все страницы сегмента находились в первичной памяти одновременно, а смежные страницы виртуальной памяти не обязательно должны оказаться смежными в первичной памяти. В системе со странично-сегментной организацией применяется трехкомпонентная (трехмерная) адресация. Виртуальный адрес n здесь определяется как упорядоченная тройка n =(s, p, d), где s - номер сегмента, p - номер страницы, а d - смещение в рамках страницы, где находится нужный элемент.

Операционная система для каждого процесса формирует, во-первых, одну таблицу сегментов процесса, и, во-вторых, таблицы страниц сегментов (по одной на каждый сегмент процесса).

Таблица сегментов процесса содержит в своих строках информацию о количестве страниц в сегменте и о начальных адресах s’ размещения таблиц страниц сегментов в первичной памяти ЭВМ.

Каждая страница таблиц сегмента содержит в своих строках информацию о начальном адресе p’ размещения в первичной памяти страничного кадра для данной страницы виртуальной памяти.

Динамическое преобразование виртуальных адресов в системах со странично-сегментной организацией отличается от преобразования по схеме наличием еще одного уровня вычисления адреса, как это показано на схеме рис.4.10, и появлением таблиц страниц для каждого сегмента процесса.

4.4. Управление виртуальной памятью

4.4.1. Стратегии управления виртуальной памятью

Стратегии управления виртуальной памятью, так же как и стратегии управления физической памятью, разделяются на три категории: стратегии вталкивания, стратегии размещения и стратегии выталкивания.

Целью стратегий вталкивания является определить, в какой момент следует переписать страницу или сегмент из вторичной памяти в первичную.

Целью стратегий размещения является определить, в какое место первичной памяти помещать поступающую страницу или сегмент.

Целью стратегий выталкивания является решить, какую страницу или сегмент следует удалить из первичной памяти, чтобы освободить место для помещения поступающей страницы или сегмента, если первичная память полностью занята.

Большинство стратегий управления виртуальной памятью базируется на концепции локальности, суть которой заключается в том, что распределение запросов процессов на обращение к памяти имеет, как правило, неравномерный характер с высокой степенью локальной концентрации.

Свойство локальности проявляется как во времени, так и в пространстве.

Локальность во времени означает, что к ячейкам памяти, к которым недавно производилось обращение, с большой вероятностью будет обращение в ближайшем будущем.

Локальность в пространстве означает, что обращения к памяти, как правило, концентрируются так, что в случае обращения к некоторой ячейке памяти с большой вероятностью можно ожидать обращение к близлежащим ячейкам.

Свойство локальности наблюдается не только в прикладных программах, но и в работе программ операционной системы. Свойство это скорее эмпирическое (наблюдаемое на практике), чем теоретически обоснованное. Локальность никак нельзя гарантировать, однако ее вероятность достаточно велика. Самым важным следствием локализации является то, что программа может эффективно работать, если в первичной памяти находится подмножество, включающее наиболее “популярные” ее страницы или сегменты.

Для оценивания эффективности стратегий управления памятью в операционных системах применяют показатель “пространство-время”, вычисляемый по формуле

S = VЧ T, (4.6)

где S - показатель “пространство-время”; V - объем первичной памяти, занимаемый процессом; T - длительность ожидания процессом подкачки необходимой страницы или сегмента.

Уменьшение значения показателя S за счет снижения периодов ожидания процессом нужных ему страниц или сегментов является важнейшей целью всех стратегий управления памятью.

4.4.2. Стратегии вталкивания (подкачки)

Для управления вталкиванием применяются следующие стратегии:

· вталкивание (подкачка) по запросу (по требованию);

· вталкивание (подкачка) с упреждением (опережением).

Вталкивание (подкачка) по запросу предполагает, что система ждет ссылки на страницу или сегмент от выполняющегося процесса и только после появления такой ссылки начинает переписывать данную страницу или сегмент в первичную память. Подкачка по запросу имеет положительные и отрицательные стороны.

К положительным сторонам относятся:

• гарантировано, что в первичную память будут переписываться только те страницы (сегменты), которые необходимы для работы процесса;
• накладные расходы на то, чтобы определить, какие страницы или сегменты следует передавать в первичную память, минимальны.

К недостаткам подкачки по запросу относится тот факт, что процесс в этом случае накапливает в первичной памяти требуемые ему страницы (сегменты) по одной. При появлении ссылки на каждую новую страницу (сегмент) процессу приходится ждать, когда эта страница (или сегмент) будет передана в первичную память. В зависимости от того, сколько страниц (сегментов) данного процесса уже находится в первичной памяти, эти периоды ожидания будут, как это следует из формулы (4.5), обходиться все более дорого, поскольку ожидающие процессы будут занимать все больший объем памяти.

Вталкивание (подкачка) с упреждением предполагает, что система пытается заблаговременно определить, к каким страницам или сегментам будет обращаться процесс. Если вероятность обращения высока и в первичной памяти имеется свободное место, то соответствующие страницы или сегменты будут переписываться в первичную память еще до того, как к ним будет явно производиться обращение. При правильном выборе страниц (сегментов) для упреждающей подкачки удается существенно сократить общее время выполнения данного процесса и уменьшить значение показателя “пространство-время”.

К недостаткам стратегии подкачки с упреждением можно отнести тот факт, что, согласно теории вычислимости, точно предсказать путь, по которому будет развиваться процесс, в общем случае невозможно. Поэтому вполне возможны ситуации, когда решения о выборе станиц (сегментов) для упреждающей подкачки будет в большинстве случаев приниматься неверно для одного или нескольких процессов, развивающихся в системе, что в свою очередь приведет к резкому снижению скорости работы этих процессов из-за увеличения времени ожидания необходимых им страниц или сегментов.

4.4.3. Стратегии размещения

В системах со страничной организацией виртуальной памяти решение о размещении вновь загружаемых страниц принимается достаточно просто: новая страница может быть помещена в любой свободный страничный кадр.

Для систем с сегментной организацией виртуальной памяти применяются такие же стратегии размещения, какие используются в системах распределения памяти переменными разделами (см. П.4.2), а именно:

· размещение с выбором первого подходящего свободного участка;

· размещение с выбором самого подходящего свободного участка;

· размещение с выбором наименее подходящего свободного участка.

Подробное описание действий для реализации перечисленных стратегий размещения приведено в п.4.2.3.

4.4.4. Стратегии выталкивания

В мультипрограммных системах вся первичная память бывает, как правило, занята. В этом случае программа управления памятью должна решать, какую страницу или какой сегмент следует удалить из первичной памяти, чтобы освободить место для поступающей страницы или сегмента. В настоящее время применяются следующие стратегии выталкивания (откачки) страниц (сегментов):

• выталкивание случайных страниц или сегментов;
• выталкивание первой пришедшей страницы или сегмента (FIFO);
• выталкивание дольше всего не использовавшихся страниц или сегментов (LRU);
• выталкивание наименее часто использовавшихся страниц или сегментов (LFU);
• выталкивание не использовавшихся в последнее время страниц или сегментов (NUR).

Стратегия выталкивания случайных страниц или сегментов является наиболее простой в реализации, обладает малыми издержками и не является дискриминационной по отношению к каким-либо процессам, работающим в системе. В соответствии с этой стратегией любые страницы или сегменты, находящиеся в первичной памяти, могут быть выбраны для выталкивания с равной вероятностью, в том числе даже следующая страница или сегмент, к которым будет производиться обращение (и которые, естественно, удалять из памяти наиболее нецелесообразно). Поскольку подобная стратегия, по сути, рассчитана на “слепое” везение, в реальных системах она применяется редко.

Стратегия выталкивания первой пришедшей страницы или сегмента (FIFO-стратегия) реализует принцип “первый пришел - первый ушел”. В этом случае в момент поступления каждой страницы (сегмента) в первичную память ей (ему) присваивается метка времени. Когда появляется необходимость удалить из первичной памяти какую-либо страницу (сегмент), выбирается та страница (сегмент), у которой метка времени имеет наименьшее значение. Аргументом в пользу такой стратегии выталкивания является довод, что у данной страницы уже были возможности “использовать свой шанс”, и пора дать подобные возможности другой странице. Однако стратегия FIFO с большой вероятностью будет приводить к удалению из первичной памяти активно используемых страниц (сегментов), поскольку тот факт, что страница (сегмент) находится в первичной памяти в течение длительного времени, вполне может означать, что эта страница или сегмент постоянно находится в работе.

Стратегия выталкивания дольше всего не использовавшихся страниц или сегментов (LRU-стратегия) предусматривает, что для выталкивания следует выбирать те страницы (сегменты), которые не использовались дольше других. Стратегия LRU требует, чтобы при каждом обращении к страницам (сегментам) их метки времени обновлялись. Это может быть сопряжено с существенными издержками, поэтому LRU-стратегия, несмотря на свою привлекательность, в современных операционных системах реализуется достаточно редко. Кроме того, при реализации LRU-стратегии может быть так, что страница (сегмент), к которой дольше всего не было обращений, в действительности станет следующей используемой страницей (сегментом), если программа к этому моменту очередной раз пройдет большой цикл, охватывающий несколько страниц или сегментов.

Стратегия выталкивания реже всего используемых страниц или сегментов (LFU-стратегия) является одной из наиболее близких к рассмотренной выше LRU-стратегии. В соответствии с LFU-стратегией из первичной памяти выталкиваются наименее часто (наименее интенсивно) использовавшиеся к данному времени страницы или сегменты. Здесь контролируется интенсивность использования страниц (сегментов). Для этого каждой странице (сегменту) назначается счетчик, значение которого увеличивается на единицу при каждом обращении к данной странице (сегменту). LFU-стратегия, будучи интуитивно оправданной, имеет те же недостатки, что и стратегия LRU: во-первых, велика вероятность того, что из первичной памяти будут удалены страницы или сегменты, которые потребуются процессам при следующем обращении к памяти и, во-вторых, ее реализация может быть сопряжена со значительными затратами на организацию контроля интенсивности использования страниц или сегментов.

Стратегия выталкивания не использовавшихся в последнее время страниц или сегментов (NUR-стратегия) также является близкой к стратегии LRU и характеризуется относительно небольшими издержками на свою реализацию. Согласно NUR-стратегии из первичной памяти выталкиваются те страницы (сегменты), к которым не было обращений в последнее время. В соответствии со свойством локальности во времени (см.п.4.4.1) к страницам (сегментам), не использовавшимся в последнее время, вряд ли будет обращение в ближайшем будущем, так что их можно заменить на вновь поступающие страницы.

Поскольку желательно заменять те страницы (сегменты), которые в период нахождения в основной памяти не изменялись, реализация NUR-стратегии предусматривает введение двух аппаратных бит-признаков на страницу (сегмент):

· бит-признак b 0 обращения к странице (сегменту);

· бит-признак b 1 модификации страницы (сегмента).

Первоначально все b 0 и b 1 устанавливаются в 0. При обращении к странице (сегменту) соответствующий бит-признак b 0 устанавливается в 1. В случае изменения содержимого страницы (сегмента) соответствующий бит-признак b 1 устанавливается в 1. NUR-стратегия предусматривает существование четырех групп страниц (сегментов), показанных в табл. 4.5.

Таблица 4.5. Группы страниц (сегментов)

Группа

В первую очередь из первичной памяти выталкиваются страницы (сегменты), принадлежащие группам с меньшими номерами.

Учет времени, в течение которого к страницам (сегментам) не было обращений, осуществляется периодическим сбрасыванием в 0 всех битов-признаков, выполняемым операционной системой.

Практически любая стратегия выталкивания страниц (сегментов) не исключает опасности нерациональных решений. Это объясняется тем, операционная система не может точно прогнозировать будущее поведение любого из процессов, поступивших к ней на обработку.

Контрольные вопросы

1. Часто единственным достоинством виртуальной памяти называют возможность обеспечить для процесса объем виртуального адресного пространства, превышающий объем реальной памяти. Назовите другие достоинства виртуальной памяти.

2. В чем достоинства и недостатки преобразования виртуальных адресов в реальные во время выполнения программы? Какая часть работы по этому преобразованию выполняется аппаратным обеспечением, а какая - ОС?

3. Иногда считают, что виртуальная память может быть обеспечена только в системах с аппаратной поддержкой динамической трансляции адреса. Докажите, что это не так.

4. Почему при поиске свободной памяти стратегия "самый подходящий" оказывается хуже, чем "первый подходящий".

5. Сравните сегментную и страничную модели виртуальной памяти. Какая из них представляется Вам лучшей и почему?

6. Дополните приведенные в разделе 3.5. соображения по поводу выбора размера страницы.

7. Смоделируйте ситуацию применения дисциплины вытеснения FCFS, в которой увеличение числа реальных страниц приведет к увеличению числа страничных отказов.

8. Что такое кластерная подкачка страниц? Почему в современных ОС она становится все более популярной?

9. Каким образом ОС может определять, к каким страницам будут обращения в ближайшее время?

10. Большой размер виртуальной памяти процесса может приводить к тому, что даже таблица страниц не будет помещаться в реальной памяти. Какими путями решается эта проблема в современных ОС?

11. Каким образом снижение стоимости памяти влияет на дисциплины управления памятью?

12. Какие принципиальные изменения в концепции памяти может повлечь за собой увеличение разрядности адреса?

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы.

Задачи управления памятью у операционной системы

• Распределение ресурса типа «память» между различными, конкурирующими за нее процессами (т.к. памяти всегда не хватает, это ограниченный ресурс по своей сути);
• Максимизировать использование памяти
• Получить дополнительные «бонусы» в виде изоляции процессов (защита доступа одного процесса от другого);
• Абстрагировать доступ к памяти для программистов.

Загрузку ОП в ОС Windowsможно посмотреть в Taskmanager.

Рассмотрим основные инструменты управления памятью.

Инструменты управления памятью

• Регистры база-предел
• Свoп
• Страницы (также таблицы страниц)
• Сегменты (таблицы сегментов)
• Страничное прерывание (page fauet) и виртуальная память

В данной статье рассматриваются два первых: регистр база0предел и своп.

Современные ОС

Основным механизмом абстракции в современных ОС является виртуальная память(virtual memory) , используется повсеместно, так как:

• Позволяет эффективно использовать реальную память
  — VM позволяет программам работать без необходимости загружать все их адр.пространство в физическую память (используется свопинг)
  — Большинству программ не нужны сразу все их данные и код
• Гибкость программ
  — Сама программа «не знает» сколько физ.памяти осталось в системе, а сколько – свопа. Объем памяти для любого процесса должен быть организован по принципу: сколько ему нужно, а не сколько есть всего в системе.
• Позволяет организовать защиту
  — Виртуальная память изолирует адресное пространство процессов друг от друга.

Аппаратная поддержка для VM(virtual memory )

Виртуальная память требует аппаратной поддержки:

• MMU (memory management unit ) -Блок управления памятью
• TLB (Translation lookaside buffe ) — Буфер ассоциативной трансляции
• Таблицы страниц
• Обработка страничных прерываний

Обычно есть поддержка свопинга и ограниченной сегментации.

Фрагментация

По сути это неэффективное использование памяти.

Очевидный минус – снижается объем доступной памяти.

Существует 2 типа фрагментации:

1. Внутренняя : когда выделяется больше памяти, чем запрашивалось, избыток памяти не используется;
2. Внешняя : свободная память в процессе выделения или освобождения разделяется на мелкие блоки и в результате не обслуживаются некоторые запросы на выделение памяти.

Внутренняя фрагментация

внутренняя фрагментация ОП

Поступает запрос в ОС на выделение блока памяти, длиной N-байт.

Система неким образом(любым алгоритмом) выделяет кусок памяти.

В силу того, что алгоритмы выделения кусков памяти разные, часто реально выделается не N-байт, а N+K байт, где К- значение или 0 или вполне реальное.

Все «выделители» памяти работают таким образом, обычно никогда не выделяется ровно столько памяти, сколько запрашивается процессом, т.е. внутри выделенного блока памяти есть неиспользованное пространство (К) — это есть внутренняя фрагментация – фрагментация внутри блока . Эти К при использовании многих блоков накапливаются, они вроде бы и есть, но использовать их нельзя.

Внешняя фрагментация

Внешняя фрагментация памяти

В ОП выделяется много кусков памяти и какие то из них освободились (процессы закончили работать и освободили ОП). В результате получилось 4 занятых куска и 1 и 2 свободные.

Поступает запрос на выделение большого куска памяти. Если суммировать 1+2 блоки памяти, то вполне хватит, но они разбросаны. Поэтому процессу память не выделится, будет получен отказ.

Возникла внешняя фрагментация – по отношению к блоку выделенной памяти она располагается снаружи.

Эволюция памяти

Данный вопрос рассматривается из-за того, что современные аспекты управления памятью сформировались исторически.

С самого начала программы напрямую пользовались физической памятью . ОС загружала задание, оно выполнялось, затем ОС выгружала его и загружала следующее.

Большинство встраиваемых систем не имело виртуальной памяти. Во встраиваемых системах обычно работает только одна программа.

Свопинг

По сути это сохранение полного состояния программы на диске. При этом он позволяет запустить другую программу, выполнить ее, а предыдущую сохранить, потом загрузить обратно предыдущую и продолжить ее выполнение.

Исторически свопинг – это замена одной программы на другую.

Мультипрограммирование

Затем появляется мультипрограммирование . При мультипрограммировании одновременно выполняется несколько процессов и заданий.

При этом возникают требования к менеджеру памяти:

• Защита: ограничить адресное пространство, используемое процессами.
• Быстрая трансляция адресов – это защита не должна тормозить процесс трансляции, не должна вносить задержку.
• Быстрое переключение контекста .

Вводится понятие виртуальных адресов.

Виртуальный адрес – это независимость от физического расположения данных в памяти, т.е. как данные располагаются в памяти как угодно, мы их можем адресовать, используя некоторый виртуальный адрес.

Виртуальный адрес упрощает управление памятью нескольких процессов. Процессорные инструкции используют виртуальные адреса. ЦП преобразует эти виртуальные адреса в физические, используя некоторую помощь от ОС.

Адресное пространство – это множество виртуальных адресов, которые могут использовать процессы. Это было самое начало того, что сейчас называется «виртуальной памятью». Но в данном случае, это гораздо примитивнее.

Метод фиксированных разделов

Это самый простой метод — метод разбивки физической памяти на разделы фиксированной длины .

Фиксированные – значит заранее определенные, и их размер в процессе работы изменить нельзя.

Аппаратная поддержка в виде регистров база-предел.

Преобразование адресов осуществляется по формуле:

Физический адрес = виртуальный адрес + база

Базовый регистр загружается ОС при переключении процесса.

Простая защита : Если виртуальный адрес больше база+предел, тогда наступает определенное системой событие – отказ в доступе или выводится ошибка. Есть механизм, который позволяет это отследить.

Преимущества:

• Простой метод

Недостатки:

• внутренняя фрагментация – доступный раздел выделяется, как правило больше, чем требуется.
• внешняя фрагментация – когда требуется большой объем памяти, но осталось только 2 маленьких раздела (кусочка)

На рисунке ниже показано как определить физический адрес памяти.

Метод фиксированных разделов

Есть виртуальный адрес, он дает нам смещение.

Есть регистр предела с которым сравнивают. Если виртуальный адрес больше регистра предела, то срабатывает защита доступа. Если меньше, то к нему прибавится регистр базы и получится адрес физической памяти.

Регистр базы на рисунке равен 6Кб. Процесс будет располагаться между 6 и 8Кб.

Данную предложенную схему необходимо улучшить, а именно: разбивать физическую память на разделы динамически (разделы переменной длины).

Аппаратные требования те же: регистр база-предел

Физический адрес = виртуальный адрес + база

Защита – проверять если физический адрес больше, чем виртуальный адрес + предел

Преимущества:

• нет внутренней фрагментации – выделяется столько, сколько запрашивается.

Недостатки:

• внешняя фрагментация: загрузка/выгрузка задач оставляет необъединяемые «дыры» в памяти.

Все тоже самое, но в памяти появились свободные пространства.

Метод фиксированных разделов

устранение внешней фрагментации

Как бороться с внешней фрагментацией?

На помощь приходит свопинг .

1. Выгрузить программ;
2. Загрузить ее по другому адресу;
3. Исправить регистр базы.

Все поднимается и остается большой кусок памяти для загрузки большой задачи.

На рисунке справа показан большой цельный освободившийся кусок памяти, образованный из маленьких разделов с помощью свопинга.

Современный подход к решению этой проблемы – организация памяти в виде страниц.

Другие основные инструменты управления памятью мы рассмотрим в следующей статье.

Память является важнейшем ресурсом, требующим тщательное управление со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память не занятая ядром операционной системы. Обычно ядро операционной системы располагаются либо в самых младших, либо в самых старших адресах. Функциями операционной системы по управлению памятью являются:

1. Отслеживание свободной и занятой памяти

2. Выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов

3. Вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размер основной памяти недостаточный для размещения в ней всех процессов и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место

4. Настройка адресов программ на конкретную область физической памяти

Качество операционной системы, в первую очередь, можно оценить по тому, насколько эффективно она предоставляет процессам требуемую память.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд используются символьные имена, виртуальные адреса и физические адреса. Символьные имена присваивает пользователь при написании программы. Виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Так во время трансляции в общем случае неизвестно в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает программам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по-умолчанию, что программа будет размещена с нулевого адреса. Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Каждый процесс имеет собственное виртуальное пространство. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера и как правило не совпадает с объемом физической памяти имеющийся в компьютере. Переход от виртуальных адресов к физическим может осуществляться двумя способами:

1. В первом случае замену виртуальных адресов на физические делает специальная системная программа - перемещающий загрузчик, перемещающий загрузчик на основании имеющихся у него исходных данных о начальном адресе физической памяти в которую предстоит загружать программу и информации предоставленной транслятором выполняет загрузку программы совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими

2. Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизменном виде – в виртуальных адресах, при этом операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Второй способ является более гибким – он допускает перемещение программы во время ее выполнения.

В некоторых случаях в специализированных системах бывает заранее точно известно в какой именно области оперативной памяти будет выполняться программа. Тогда транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Классификация методов распределения памяти

Методы распределения делятся на две группы:

1. Без использования внешней памяти

a. Фиксированными разделами

b. Динамическими разделами

c. Перемещаемыми разделами

2. С использованием внешней памяти

a. Страничное распределение

b. Сегментное распределение

c. Сегментно-страничное распределение

Распределение памяти фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является разделение ее на несколько разделов фиксированной величины. Это может быть выполнено вручную оператором при старте системы или во время ее генерации. Очередная задача поступающая на выполнение при этом помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу.

Подсистема управления памятью в данном методе выполняет следующие задачи:

1. Сравнивая размер программы поступившей на выполнение и размер свободных разделов выбирает подходящий раздел

2. Осуществляет загрузку программы в этот раздел и настройку адресов

При очевидном преимуществе - простоте реализации метод имеет недостаток – жесткость, так как в каждом разделе может выполняться только одна программа уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов независимо от размера задач, с другой стороне малые разделы не позволят выполнить большие программы.

Распределение памяти разделами переменной величины

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память свободна, каждой вновь поступающей задаче выделяется необходимая ей память. Если достаточный объем памяти отсутствует, то задача не принимается на выполнение, и стоит в очереди, при освобождении памяти задача поступает на выполнение, после завершения задачи память освобождается и на это место может быть загружена другая задача. Таким образом в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. Задачами операционной системы при реализации данного метода являются:

1. Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти

2. При поступлении новой задачи - анализ запроса, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела размер которого достаточен для размещения поступившей задачи.

4. После завершения задачи корректировка таблиц свободных и занятых областей

Таким образом программный код не перемещается во время выполнения то есть может быть проведена единовременная настройка адресов по средствам перемещающего загрузчика. Выбор раздела для вновь поступившей задачи может осуществляться по разным правилам.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему приспущен недостаток – фрагментация памяти.

Фрагментация – наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень малого размера. Настолько малыми что ни одна программа не может в них поместиться, однако суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающий требуемый объем памяти.

Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых разделов в сторону младших или старших адресов, так что бы вся свободная память образовывала единую свободную область. В дополнение к функциям которые выполняет операционная система при распределении памяти переменными разделами. В данном случае она должна периодически копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называет сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом варианте требуется меньше работы при корректировке таблиц, во втором выполняется сама процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом. Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Методы распределения памяти с использованием дискового пространства.

Понятие виртуальной памяти

Развитие методов организации вычислительного процесса привело к появлению метода известного под названием «виртуальная память». Виртуальным называется ресурс который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами которыми он в действительности не обладает. Так пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память размер которой превосходит имеющуюся в системе реальную память. Таким образом виртуальная память – совокупность программно-аппаратных средств позволяющих пользователям писать программы размер которых превосходит имеющуюся оперативную память. Для этого система виртуальной памяти решает следующие задачи:

1. Размещает данные в запоминающих устройствах разного типа. Например часть программы в оперативной памяти, а часть на диске.

2. Перемещает по мере необходимости данные между устройствами разного типа

3. Преобразует виртуальные адреса в физические

Все эти действия выполняются автоматически, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.

Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти являются:

1. Страничная

2. Сегментная

3. Странично-сегментное распределение памяти

Страничное распределение

При страничном распределении виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы разделами, называемыми виртуальными страницами. В общем случае размер виртуального адресного пространства процесса не является кратным размером страницы, поэтому последняя страница каждого размера дополняется фиктивной областью.

Вся физическая оперативная память машины так же делится на части такого же разделами, называемые физическими страницами или блоками. Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов. При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, остальные страницы на диск. При этом смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которых устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц, для страниц загруженных в оперативную память или делается отметка о том, что виртуальная страница делается отметка о том, что страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости – выгрузка некоторых страниц может быть запрещена, признак обращения к странице (используется для подсчета количества обращений за определенный период времени) и другие данные формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти. При активизации очередного процесса специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса. Далее при каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физически, если же нужная виртуальная страница в данный момент недоступна то происходит так называемая страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, загрузка выполняется немедленно, если свободных страниц нет – принимается решение о том, какую страницу выгрузить из оперативной памяти. Может быть использовано много разных критериев, наиболее популярными являются следующие:

1. Дольше всего не использовавшаяся страница

2. Страница к которой в последнее время было меньше всего обращений

3. Первая попавшая страница.

В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке. После того как выбрана страница которая должна покинуть оперативную память анализируется ее признак модификации. Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, она должна быть переписана на диск, иначе соответствующая физическая страница объявляется свободной. Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары чисел: где первое число – номер виртуальной страницы процесса, а второе число – смещение в пределах виртуальной страницы. Учитывая то, что размер страницы равен два в некоторой степени, смещение внутри страницы может быть получено простым отделением младших разрядов двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы. При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия:

1. На основании начального адреса торицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц)номер виртуальной страницы(стар) Длины записи в таблицы страниц

2. Определяется адрес нужной записи в таблицы. Из этой записи извлекается номер физической страницы

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса)

На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты связанные с обработкой страничных прерываний и преобразования виртуального адреса в физический

При часто возникающих системных прерываниях система может тратить значительное время на свопинг страниц. Для уменьшения частоты прерываний можно увеличивать размер страниц. Но тогда использование самих страниц будет менее эффективно

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощённом варианте – без выгрузки страницы на диск. Такой вариант, хотя не предоставляет виртуальной памяти почти исключает фрагментацию, за счет того, что программа может загружаться в несмежные области.

Сегментное распределение

При страничной организации виртуальное адресное пространство делится на равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свойство бывает очень полезным. Например, можно запретить обращаться с операциями записи и чтения в кодовый сегмент программы, а для сегмента данных разрешить только чтение, так же разбиение программы на сегменты делает принципиально возможным разделение одного сегмента несколькими процессами. При сегментном распределении виртуальное адресное пространство делится на сегменты размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и так далее. Иногда сегментация программы выполняется по-умолчанию компилятором. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память, при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти, а часть сегментов размещается на диски. Сегменты одной программы могут занимать несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса аналогичную таблице страниц, в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращению к сегменту за последний интервал времени и другая информация. Если виртуальное адресное пространство нескольких процессов включает один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре. Система с сегментной организацией функционирует аналогично системой со страничной организацией: периодически происходят прерывания связанные с отсутствием нужных сегментов памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту. Недостатком данного метода является фрагментация на уровне сегментов и более медленная (по сравнению со страничной организацией) преобразование адреса.

Странично-сегментное распределение

Данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти. Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент делится на виртуальные страницы, которые номеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс.

Иерархия запоминающих устройств. Принцип кеширования данных.

Кеш-память – способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в быструю память, наиболее часто используемой информации из медленной памяти. Кеш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств – быструю память. Быстрая память стоит дороже и как правило имеет сравнительно небольшой не объем. Важно, что механизм кеш-памяти является прозрачным для других подсистем.

Файловая система

Файловая система – часть операционной системы, назначение которой в том, что бы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными хранящимися на диске и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами. В широком смысле понятие файловая система включает:

1. совокупность всех файлов на диске

2. наборы структур данных используемых для управления файлами такие как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого места на диске

3. Комплекс системных программных средств реализующих управление файлами в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами

Имена файлов

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена. При этом учитываются ограничения Операционной системы как на используемые символы, так и на длину имени. До относительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Обычно разные файлы могут иметь одинаковые символьные имена, в этом случае файл однозначно идентифицируется составным именем представляющим из себя символьным имен каталога.

В некоторых системах одному и тому же файлу может быть дано несколько разных имен. В этом случае Операционная система присваивает файлу уникальное имя, которое как правильно представляет собой числовой идентификатор. Примером такого уникального имени являет номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Виды файлов

Файлы бывают разных видов. Обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги. Обычные файлы в свою очередь разделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов – это могут быть документы или какие-нибудь исходные тексты программ, конфигурационные файлы и так далее. Двоичные файлы часто имеют сложную внутреннюю структуру. Например объектный код программа или архивный файл. Специальные файлы – файлы ассоциированные с устройствами ввода/вывода, которые позволяют выполнять операции ввода-вывода используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команда обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем преобразуются в команды управления соответствующим устройствам.

Каталог – это группа файлов объединенных пользователем, либо системой, с другой стороны это файл содержащий системную информацию о группе файлов его составляющих. В каталоге содержится список файлов входящих в него и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (Атрибутами).

В разных файловых системах могут использоваться в качестве атрибутов разные характеристики, например:

1. Информация о разрешенном доступе

3. Владелец файла

4. Создатель файла

5. Признак “только для чтения”

6. Признак “скрытый”

7. Признак “системный файл”

8. Признак “временный файл”

9. Признак блокировки

10. Времена создания, последнего доступа, последнего изменения

11. Текущий размер файла

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов как это сделано в системе FAT или ссылаться на таблицы содержащие эти характеристики, как это сделано в системе UNIX. Каталоги могут организовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня. Иерархия каталогов может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево если файлу разрешено входить только в один каталог или сеть если файл может входить сразу в несколько каталогов. Как и любой другой файл каталог имеет символьное имя и однозначно идентифицируется составным именем содержащим цепочку символьных имен всех каталогов через которые проходит путь от корня до данного каталога.

Логическая организация файлов

Программист имеет дело с логической организацией файлов представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись – это наименьшей элемент данных, которым может быть оперировать программист при обмене даже если физический обмен с устройством осуществляется большими единицами данных Операционная система обеспечивает доступ к отдельной логической записи. Записи могут быть фиксированной длины или переменной длины. Записи могут быть расположены в файле последовательно или в более сложном порядке с использованием индексных таблиц, позволяющих обеспечить быстрый доступ к отдельной логической записи.

Физическая организация и адрес файлов

Физическая организация описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти (в частности на диске). Файл состоит из физических записей – блоков. Блок – наименьшая единица данных, которыми внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Непрерывное размещение – простейший вариант физической адресации, при которой файлу предоставляется последовательность блоков диска образующих единый сплошной участок дисковой памяти. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока и длину файла. Достоинства метода – простота, но есть два существенных недостатка

1. во время создания файла не известна его длина неизвестно сколько памяти нужно резервировать

2. при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация.

Следующий способ физической организации – размещение в виде связанного диска блоков дисковой памяти. При таком способе в начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла может быть задан одним числом – номером первого блока и каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, а файл может изменяться во время своего существования наращивая количество блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла. Например, что бы прочитать 10-ый по порядку блок необходимо последовательно просмотреть первые 9 блоков, прослеживая цепочку номеров блоков. Кроме того при этом способе количество данных файла содержащихся в одном блоке не равно степени двойки, а многие программы читают данные блоками, размер которых равен степени двойки. Следующим способом является использование связанного списка индексов. С каждым блоком связывается некоторый элемент – индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска. Если некоторый блок распределен файлу, то индекс этого блока содержит номер следующего блока данного файла. При такой физической организации сохраняются достоинства предыдущего способа, и снимаются недостатки: для доступа к произвольному месту файлов достаточно прочитать только блок индексов, отсчитать нужное количество файлов по цепочке и определить номер нужного блока. Во-вторых данные файлы занимают блок целиком, а значит имею объем равный степени двойки.

Задание физического расположения файла простым перечислением номеров блоков занимаемым этим файлом. Операционная система UNIX использует вариант данного способа, позволяющий обеспечить фиксированную длину адреса независимо от размера файла. Для хранения адреса файла выделено 13 полей. Если размер файла меньше или равен 10 блокам, то номера этих блоков непосредственно перечислены в первых 10 полях адреса. Если размер файла больше 10 блоков, то следующее 11 поле содержит адрес блока в котором могут быть расположены еще 128 номеров следующих блоков файла. Если файл больше 10 + 128 блоков, то используется 12 поле в котором находится номер блока содержащего 128 номеров блоков которые содержат еще 128 номеров блоков данного файла. Если файл больше даже этого размера, то используется последнее 13 поле для тройной косвенной адресации.

Права доступа к файлу

Определить права доступа к файлу значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцированных операций доступа. Этот список может включать следующие операции:

1. Создание файла

2. Уничтожение файла

3. Открытие файла

4. Закрытие файла

5. Чтение файла

6. Запись в файл

7. Дополнение файла

8. Поиск в файле

9. Получение атрибутов файла

10. Установление новых значений атрибутов

11. Переименование файлов

12. Выполнение файла

13. Чтение каталога

14. И другие операции с файлами и каталогами

В самом общем случае права доступа могут быть получены матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют файлам, строки – пользователям. На пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции. В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например в системе UNIX все пользователи разделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.

Раздевают два основных подхода к определению прав доступа:

1. Избирательный подход – каждый файл и каждый пользователь сам владелец может определить допустимые операции

2. Мандатный подход – система наделяет пользователями определёнными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу. В данном случае к файлу, в зависимости от того к какой группе пользователь отнесен.

Кеширование диска

В некоторых файловых системах запросы к внешним устройствам, в котором адресация осуществляется блоками перехватывается промежуточным программным слоем подсистемы буферизации. Подсистема буферизации представляет собой буферный пул, располагающийся в оперативной памяти и комплекс программ управляющих этим пулом. Каждый буфер пула имеет размер равный одному блоку. При поступлении запроса на чтение некоторого блока подсистема буферизации просматривает пул и если находит требуемый блок, то копирует его в буфер запрашивающего процесса. Операция ввода/вывода считается выполненной, хотя физического обмена с устройством не происходило. Если же нужный блок отсутствует, он считывается с устройства и одновременно с передачей запрашивающему процессу копируются в один из буферов подсистемы буферизации. При отсутствии свободного буфера на диск вытесняется наименее используемая информация. Таким образом подсистема буферизации работает по принципу кеш-памяти.

Общая модель файловой системы

Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой модеью, в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс или набор функций вышележащему уровню, а сам в свою очередь для выполнения своей работы использует интерфейс нижележащего уровня.

Уровни снизу вверх

1. Физический уровень – обращается только к подсистеме ввода/вывода. Его задача определение номера физического блока содержащего логическую запись

2. Логический уровень – Обращается к физическому, его функция – определение координат логической записи в файле

3. Уровень проверки прав доступа – его задача проверка допустимости заданной операции к заданному файлу

4. Базовый уровень – определение по уникальному имени характеристик файла

5. Символьный уровень – определение по символьному имени файла его уникального имени

Отображаемая в память файлы

По сравнению с доступом к памяти традиционный доступ к файлам выглядит неудобным. По этим причинам некоторые операционные системы обеспечивают отображение файлов в адресное пространство выполняемого процесса. Это выражается в появлении специальных системных вызовов – map (отобразить) и unmap (отменить отображение), в то же время отпадает необходимость многочисленных специальных вызовов подсистемы ввода/вывода.

Современная архитектура файловых систем

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих в число которых входит и файловая система в традиционном понимании. Новая файловая система имеет многоуровневую структуру, на верхнем уровне которой распологается так называемый переключатель файловых систем. В Windows он называется устанавливаемый диспетчер файловой системы или IFS, он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конретной файловой системой. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат воспринимаемый следующим уровнем – уровнем файловых систем.Каждый компонент уровня файловых систем. Каждый компонет файловых систем выполнен в виде драйвера соответсвующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода/вывода образующей следующий слой файловой системы новой артитектуры. Подсистема ввода/вывода это составная часть файловой системы которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает гибкость и независимость уровней между собой. Он реализуется посредствам цепочек системных вызовов, что позволяет скрывать от пользователей и разработчиков сложности организации файловой системы.