БИЛЕТ №1

1) Назначение и основные понятия операционной системы: Определение, место операционной системы в информационных системах, ресурс, этапы управления ресурсами.

ОС - комплекс управляющих и обрабатывающих программ, интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, предназначен для эффективного использования ресурсов вычислительной системы.

Обобщенная структура любой ИС представляется состоящей из двух взаимодействующих частей:

-функциональной части, включающей прикладные программы, которые реализуют функции прикладной области;

-среды или системной части, обеспечивающей исполнение прикладных программ.

ОС реализует услуги, являющиеся корневыми в обеспечении функций прикладной платформы.

Термин ресурс относится к используемым относительно стабильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, используются и освобождаются процессами в период их активности.

Делимый ресурс - это ресурс, который можно безболезненно забирать у владеющего им процесса. Образцом такого ресурса является память. Например, если в какой-то момент времени процесс находится в ожидании некоторого события, операционная система может временно переместить его образ из памяти на диск, предоставив освободившуюся часть памяти другому процессу.Разделяемые ресурсы могут использоваться:одновременно (в один и тот же момент времени);параллельно (в течение некоторого отрезка времени процессы используют ресурс попеременно).

Неделимый ресурс - это ресурс, который нельзя отобрать у процесса (владельца), не уничтожив результата его работы. В работе с неделимыми ресурсами требуется определенная последовательность событий, позволяющая перераспределять ресурс от одного процесса к другому.В абстрактной форме такая последовательность может быть представлена в следующей форме: 1) Запрос ресурса. 2) Использование ресурса (блокировка доступа к нему со стороны других процессов).3) Возврат ресурса.Такая абстракция предполагает, что в случае недоступности ресурса запрашивающий его процесс вынужден ожидать его освобождения. Современные мультипрограммные операционные системы эффективно используют ресурсы путем организации к ним очередей запросов.

2) Архитектура и структура операционных систем: Прерывания, многозадачность.

Прерывания - механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реаги­ровать на особые ситуации, возникающие при работе процессора. Прерывания - принудительная передача управления от выполняемой программы к системе, определение происходящее при возникновении определенного события.

Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний реализуется аппаратно-программным способом. Прерывание всегда влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний включает следующие шаги: 1) установление факта прерывания и его идентификация; 2) запоминание состояния прерванного процесса (счетчика команд, содержимого регистров процессора, спецификации режима и др.);

3) аппаратная передача управления подпрограмме обработки прерываний; 4) сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось сохранить на шаге 2 с помощью действий аппаратуры, иногда большого объема информации; 5) обработка прерываний; 6) восстановление информации, относящейся к прерванному процессу;

7) возврат в прерванную программу. Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4 -7 программно.

Главные функции механизма прерываний: 1) распознавание или классификация прерываний; 2) передача управления на обработку прерываний; 3) корректное возвращение к прерванной программе.

Прерывании, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (асинхронные);внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса (прерывания от таймера; прерывания от внешнего устройства (прерывания по вводу/выводу); прерывания по нарушению питания; прерывания с пульта оператора вычислительной системы; прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.).

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями (нарушение адресации; наличие в поле адреса несуществующей инструкции; деление на нуль; переполнение или исчезновение порядка; ошибка четности; ошибка в работе различных аппаратных устройств.).

Собственно программные прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор производит те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не как переход в подпрограмму, а как обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью выполнения всех команд.

Сигналы, вызывающие прерывания, формируются в процессоре или вне его, они могут возникнуть одновременно. Выбор одного их них происходит на основе приорите­тов, установленных для каждого их них. Наивысшим приоритетом обладают прерывания от схем контроля процессора. Учет приоритетов может быть встроен в технические сред­ства или может определяться операционной системой. Программно-аппаратное управ­ление порядком обработки сигналов прерывания позволяет применять различные дис­циплины обслуживания прерываний.

Распределение прерываний по уровню приоритета (от низкого к высокому): 1)программные прерывания; 2) прерывания от внешних устройств: терминалов; 3) прерывания от внешних устройств: сетевого оборудования; 3) прерывания от внешних устройств: магнитных дисков; 4) прерывания от системного таймера; 5) прерывания от средств контроля процессора.

Процессор может обладать средствами зашиты от прерываний: отключение системы прерываний; маскирование (запрет) отдельных видов прерываний

Программное управление средствами защиты от прерываний позволяет ОС регулировать обработку сигналов прерывания: обрабатывать сразу при поступлении; откладывать обработку на некоторое время; полностью игнорировать.

Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнении текущей команды. Сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, поэтому к моменту обработки может накопиться несколько сигналов. Сигналам прерывания присваиваются приоритеты, в первую очередь обрабатывается сигнал с более высоким приоритетом.Причины прерываний определяет ОС (супервизор прерываний) и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации.

При появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывание разрешено, управление передается на соответствующую программу обработки прерываний.

Подпрограмма обработки прерываний состоит их трех секций: 1) отключение прерываний, сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний; 2) собственно тело программы обработки прерываний; 3) восстановление контекста прерванной ранее программы, установка прежнего ре­жима работы системы прерываний.

1-я и 3-я секции подпрограммы обработки прерываний - служебные, сохраняют и восстанавливают контекст задач. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерывания, во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль -супервизор прерываний. Супервизор прерываний выполняет следующие действия: 1) сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерванной задачи; 2)определяет программу, обслуживающую текущий запрос на прерывание; 3) устанавливает необходимый режим обработки пребывания; 4) передает управление подпрограмме обработки прерывания.

После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач. Диспетчер задач производит: выбор готовой к выполнению задачи (в соответствии с дисциплиной обслуживания); . - восстановление контекста задачи; установку прежнего режима работы системы прерываний; передачу управления выбранной задаче.

Из подпрограммы обработки прерывания нет возврата непосредственно в прерванную программу. Если бы контекст прерванной задачи сохранялся в стеке, а не в дескрипторе задачи, то не было бы возможности гибко выбирать на обслуживание задачу, после завершения подпрограммы обработки прерывания.

В конкретных процессорах и ОС могут быть изменения и дополнения к рассмотренной дисциплине обслуживания прерываний.

Многозада́чность — свойство операционной системы или среды программирования обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределенных вычислительных системах.

Свойства многозадачной среды:

Примитивные многозадачные среды обеспечивают чистое «разделение ресурсов», когда за каждой задачей закрепляется определённый участок памяти, и задача активизируется в строго определённые интервалы времени.

Более развитые многозадачные системы проводят распределение ресурсов динамически, когда задача стартует в памяти или покидает память в зависимости от её приоритета и от стратегии системы. Такая многозадачная среда обладает следующими особенностями:

-Каждая задача имеет свой приоритет, в соответствии с которым получает процессорное время и память

-Система организует очереди задач так, чтобы все задачи получили ресурсы, в зависимости от приоритетов и стратегии системы

-Система организует обработку прерываний, по которым задачи могут активироваться, деактивироваться и удаляться

-По окончании положенного кванта времени ядро временно переводит задачу из состояния выполнения в состояние готовности, отдавая ресурсы другим задачам. При нехватке памяти страницы невыполняющихся задач могут быть вытеснены на диск (своппинг), а потом через определённое системой время, восстанавливаться в памяти

-Система обеспечивает защиту адресного пространства задачи от несанкционированного вмешательства других задач

-Система обеспечивает защиту адресного пространства своего ядра от несанкционированного вмешательства задач

-Система распознаёт сбои и зависания отдельных задач и прекращает их

-Система решает конфликты доступа к ресурсам и устройствам, не допуская тупиковых ситуаций общего зависания от ожидания заблокированных ресурсов

-Система гарантирует каждой задаче, что рано или поздно она будет активирована

-Система обрабатывает запросы реального времени

-Система обеспечивает коммуникацию между процессами