- •1. Определение и функции ос. Классификация многозадачных ос. Принципиальные отличия требований к системам реального времени и к обычными системами разделения времени.
- •1 Вопрос. Определение и функции ос.
- •2 Вопрос. Три подхода к определению ос:
- •3 Вопрос. Классификация многозадачных ос
- •2. Ядро ос. Подходы к определению ядра ос (классический и по Василенко). Причины неоднозначности. Режим ядра и режим пользователя. Системный вызов и его реализация (на примере любой ос/архитектуры).
- •4 Вопрос. Подходы к определению ядра ос
- •7 Вопрос. Понятие процесса. Адресное пространство процесса
- •8 Вопрос. Контекст процесса. Регистровый контекст
- •9 Вопрос. Системный контекст
- •10 Вопрос. Контекст процесса.
- •Создание и завершение процесса
- •11 Вопрос. Создание и завершение процесса
- •12 Вопрос. Граф состояний процесса. Причины перехода между состояниями.
- •Все возможные причины блокировки процесса
- •4. Вытесняющая многозадачность. Цели алгоритма планирования и их противоречивость. Основные алгоритмы планирования и их модификации.
- •13 Вопрос. Вытесняющая многозадачность
- •14 Вопрос. Задачи алгоритмов планирования
- •15 Вопрос. Планирование в системах пакетной обработки данных
- •17 Вопрос. Наименьшее оставшееся время выполнения. Трехуровневое планирование
- •18 Вопрос. Планирование в интерактивных системах
- •19 Вопрос. Несколько очередей. "Самый короткий процесс - следующий"
- •20 Вопрос. Гарантированное планирование. Лотерейное планирование. Справедливое планирование
- •21 Вопрос. Планирование в системах реального времени
- •22 Вопрос. Иерархия классов в Linux: rt, cfs, idle, stats.
- •23 Вопрос. Реальные алгоритмы планирования
- •24 Вопрос. Проблема балансировки нагрузки в smp-системах
- •Область применения нитей и процессов.
- •Реализация потоков в ядре
- •7. Синхронизация процессов и нитей (в т.Ч. Ядерных). Основные примитивы синхронизации. Различия семафоров и спин-блокировки. Ограничения использования семафоров в ядре (сюда же can_sleep()).
- •25 Вопрос. Примитивы межпроцессного взаимодействия
- •Спин-блокировки:
- •26 Вопрос. Семафоры
- •27 Вопрос. Мьютексы
- •[Крищенко: метода sys_linux]
- •28 Вопрос. Виртуальная память
- •Задачи, решаемые виртуальной памятью:
- •Вопросы из лекций:
- •29 Вопрос. Страничная организация виртуальной памяти
- •30 Вопрос. Сегментная и сегментно-страничная организации виртуальной памяти
- •31 Вопрос. Преобразование виртуального адреса в физический при страничном преобразовании
- •32 Вопрос. Tlb и его назначение. Моменты сброса tlb.
- •Адресное пространство процесса
- •Разделы адресного пространства процесса (32 разряда)
- •Выделение памяти процессу и освобождение им памяти. Связь функций выделения памятью стандартной библиотеки и системных вызовов, необходимость менеджера памяти режима пользователя
- •11. Виды межпроцессного взаимодействия и их классификация. Виды ipc в стандартах posix. Использование сокетов tcp/ip при большом количестве соединений Методы межпроцессного взаимодействия.
- •Виды ipc в стандартах posix
- •Использование сокетов tcp/ip при большом количестве соединений
- •32 Вопрос. Ввод-вывод и обработка прерываний.
- •33 Вопрос. Первичная и отложенная обработка прерываний, необходимость такого разделения. Реализация отложенной обработки.
- •13. Планировщик ввода-вывода для дисковых устройств. Алгоритмы планирования ввода-вывода для дискового устройства. Буферизация запросов.
- •34 Вопрос. Структура системы ввода-вывода
- •35 Вопрос. Алгоритмы планирования
- •36 Вопрос. Механизм ввода-вывода
- •36. Вопрос. Дескрипторы очереди запросов. Дескриптор запроса. Процесс планирования ввода-вывода
- •Процесс планирования ввода-вывода
- •14. Подсистема виртуальной фс в ядре ос. Кеширование. Ввод-вывод и прямой доступ к памяти на примере дискового устройства. Необходимость в уровне буферов (на примере Линукс)
- •Основные структуры
- •Уровень виртуальной файловой системы
- •Менеджер ввода-вывода
- •Стратегии организации ввода-вывода:
- •Ещё заметка про уровень буфферов
- •37 Вопрос. Основные структуры файловой системы.
- •Задачи файловой системы (from wiki)
- •38 Вопрос. Различные подходы к организации структур фс
- •39 Вопрос. Неразрывные файлы
- •40 Вопрос. Связанные списки. Связанные списки с индексацией
- •Связанные списки с индексацией
- •41 Вопрос. Индексные узлы
- •42 Вопрос. Реализация простой фс (предлагаю на примере minix file system).
- •43 Вопрос. Битовые карты, индексные узлы в minix 3
- •Индексные узлы
- •44 Вопрос. Журналируемые фс.
- •45 Вопрос. Физическая организация fat
- •46 Вопрос. Физическая организация s5 и ufs
- •47 Вопрос. Поиск адреса файла по его символьному имени
- •49 Вопрос. Физическая организация ntfs
- •50 Вопрос. Первый отрезок mft
- •51 Вопрос. Структура файлов ntfs
- •52 Вопрос. Виды файлов в ntfs
- •53 Вопрос. Каталоги ntfs
- •54 Вопрос. Файловые операции
- •55 Вопрос. Открытие файла
- •56 Вопрос. Обмен данными с файлом
- •57 Вопрос. Блокировки файлов
- •58 Вопрос. Стандартные файлы ввода и вывода, перенаправление вывода
- •59 Вопрос. Контроль доступа к файлам
- •60 Вопрос. Механизм контроля доступа
- •61 Вопрос. Организация контроля доступа в ос unix
- •62 Вопрос. Организация контроля доступа в ос Windows nt
- •63 Вопрос. Разрешения на доступ к каталогам и файлам
- •64 Вопрос. Встроенные группы пользователей и их права
- •65 Вопрос. Выводы
- •16. Сетевая подсистема ос и её функции. Причины включения tcp/ip в ядро ос. Реализация сетевых файловых систем.
- •Реализация сетевых файловых систем
- •Таненбаум Файловая система nfs
- •17. Идея микроядра. Недостатки и достоинства концепции микроядра (см. Qnx, Hurd, Minix, использование Mach в Mac os X). Идея микроядра
- •Достоинства:
- •Недостатки:
- •Более подробно о микроядре на примерах:
- •18. Идея ос на базе jit-vm. Недостатки, достоинства, ограничения концепции (смотреть, например, Singularity)
- •20. Существующие стандарты на интерфейсы ос. Группа стандартов Posix. Достоинства и недостатки реализации нестандартных интерфейсов (на примере WinApi). Реализация интерфейсов "чужеродных" ос.
- •Основные идеи стандарта posix
- •Api операционных систем. Проблемы, связанные с многообразием api (статья Wikipedia: Интерфейс программирования приложений)
- •21. Графическая подсистема и её место в ос на примере x11/Cocoa/WinApi. Достоинства и недостатки различных подходов.
Недостатки:
В то же время микроядерная архитектура операционной системы вносит дополнительные накладные расходы, связанные с передачей сообщений, что отрицательно влияет на производительность. Для того чтобы микроядерная операционная система по скорости не уступала операционным системам на базе монолитного ядра, требуется очень аккуратно проектировать разбиение системы на компоненты, стараясь минимизировать взаимодействие между ними. Таким образом, основная сложность при создании микроядерных операционных систем — необходимость очень аккуратного проектирования
Коммерческие версии микроядер
Одной из первых представила понятие микроядра фирма Next, которая использовала в своих компьютерах систему Mach, прошедшую большой путь развития в университете Карнеги-Меллона при помощи агентства Министерства обороны США DARPA. Затем пришла Microsoft Windows NT, рекламировавшая в качестве ключевых преимуществ применения микроядра не только модульность, но и переносимость.
Более современные архитектуры микроядра были предложены Novell, USL, Open Software Foundation, IBM, Apple и другими. Одним из основных соперников NT на арене микроядер является микроядро Mach 3.0, которое и IBM и OSF взялись привести к коммерческому виду. (Next в качестве основы для NextStep пока использует Mach 2.5, но при этом внимательно присматривается к Mach 3.0.). Основной соперник Mach - микроядро Chorus 3.0 фирмы Chorus Systems.
Сегодня стало ясно, что имеется тенденция движения от монолитных систем в сторону подхода с использованием небольших ядер. Именно такой подход уже использовался компаниями QNX Software и Unisys, в течение нескольких лет поставляющих пользующиеся успехом операционные системы на основе микроядра. QNX фирмы QNX Software обслуживает рынок систем реального времени, а CTOS фирмы Unisys популярна в области банковского дела.
Более подробно о микроядре на примерах:
MINIX3
Микроядро MINIX 3 самое «микроядреное» микроядро в мире. Из него вычищено все, кроме перечисленных ранее компонентов, таких, как обработчик прерываний, средства запуска и останова процессов, планировщик задач, механизм межпроцессного взаимодействия; правда, почему-то в ядро включен и один из сервисов - сервис часов. В результате все это укладывается менее чем в 4000 строк кода - и только оно исполняется в пространстве ядра.
Драйверная и сервисная части, вычлененные из ядра, разделены между собой. В результате образуется знаменитая четырехслойная модель-метафора, в основании которой лежит ядро, надстраиваемое "драйверным слоем", которое, в свою очередь, перекрывается "сервисным слоем" и венчается "слоем пользовательских программ".
Кроме того каждый драйвер и каждый сервис представляет собой отдельный процесс в пользовательском пространстве, аналогично обычным пользовательским приложениям. В результате ни один драйвер и ни один сервис, как бы криво они не были написаны, не в состоянии обрушить всю систему - точно также, как в любом Unix'е это не могут сделать обычные пользовательские приложения. Не могут повлиять они и на соседние процессы, так как напрямую взаимодействовать они не могут, а вынуждены при необходимости обращаться к ядру.
Наконец, главное: сервер реинкарнаций. Это процесс, выступающий родительским по отношению к процессам всех драйверов и сервисов. Которые он запускает при старте, а в дальнейшем отслеживает состояние. Если процесс какого-либо драйвера или сервиса в силу неких причин самопроизвольно "умирает", он запускает его вновь. Если один из драйверов или сервисов начинает вести себя "нехорошо", сервер реинкарнаций в состоянии убить соответствующий ему процесс и тут же запустить его заново, обеспечивая, таким образом прозрачное для пользователя самовосстановление системы при отказе почти любого драйвера устройства или системной службы.
QNX
Микроядро QNX отвечает за выполнение следующих функций:
связь между процессами - Микроядро управляет маршрутизацией сообщений; оно также поддерживает две другие формы IPC - прокси и сигналы;
сетевой интерфейс низкого уровня - Микроядро осуществляет доставку всех сообщений, предназначенных для процессов на других узлах сети;
диспетчеризация процессов - входящий в состав Ядра планировщик решает, какому из запущенных процессов должно быть передано управление;
первичная обработка прерываний - все аппаратные прерывания и исключения сначала проходят через Микроядро, а затем передаются соответствующему драйверу или системному менеджеру
Все остальные модули системы с точки зрения микроядра представляют собой полностью равноценные нити. То, что некоторые из этих нитей исполняю в пользовательском, а другие — в привилегированном режиме доступа ядру совершенно неинтересно и не влияет на их приоритет и класс планировании. QNX разрабатывался для приложений реального времени, в том числе и для использования во встраиваемых микропроцессорных системах; но, благодаря компактности и фантастической производительности, эта ОС иногда заменяет системы общего назначения. Микроядро QNX действительно заслуживает названия микро, поскольку занимает всего 12 килобайт кода и полностью входит в кэш первого уровня даже старых процессоров архитектуры х86. Все остальные модули ядра — драйверы внешних устройств, файловых систем, сетевых протоколов, имитация API систем семейства Unix — динамически загружаются и выгружаются и не являются обязательными (если, конечно, приложение не требует сервисов, предоставляемых этими модулями). Благодаря этому ОС может использоваться во встраиваемых приложениях с весьма небольшим объемом ПЗУ.