Transcript Introducciуn a los Sistemas Operativos

Операциялық жүйе






Лектор : Мансурова Мадина Есимхановна
Оқу жылы: 2010
Семестр: 5
Кредит саны: 3
Дәріс: 30 сағат
Семинар: 15сағат
1
Курстың мақсаты мен есептері







Курстың мақсаты
Қазіргі заманғы программалық қамтаманы қолдану білуге
үйрету
Курстың есебі
Операциялық жүйе концепцияларын беру; операциялық
жүйенің даму тарихымен таныстыру;
Операциялық жүйе функцияларымен таныстыру; тұтынушын
және администратор, программист
пен жобалаушы
көзқарасы бойынша операциялық жүйені оқып үйрену;
Студенттер білуі керек:
Операциялық жүйенің қасиеттерін және классификациясын,
олардың даму болашағы, компьютерлік желі және ақпараттық
жуйелердің
программалық
қамтамасын
өңдеу
концепциясияларын
2
Литература

Столлингс У. Операционные системы. Внутреннее устройство и
принципы проектирования (4е). М.: «Вильямс», 2002, 848 с.

Столлингс У. Структурная организация и архитектура
компьютерных систем (5e), М.: «Вильямс», 2002, 892 с.

Tanenbaum. Andrew S. Modem Operating Systems (2e). Published
by Prentice-Hall, 2001.

Таненбаум Э. Современные операционные системы (2e), СПб,
«Питер», 2002. 1037 с.

Таненбаум Э. Компьютерные сети (3e), СПб: «Питер», 2002.
848 с.

Таненбаум Э. Архитектура компьютера (3e), СПб: «Питер»,
2000, 704 с.

Таненбаум Э., М. ван Стеен. Распределенные
Принципы и парадигмы. СПб: «Питер», 2003, 876 с.
системы.
3
Лекция 1 Компьютерлік жүйеге шолу







Негізгі элементтері
Процессор регистрі
Команданың орындалуы
Үзіліс
Естесақтаушы құрылғыларының иерархиясы
Кэш жады
Енгізу-шығару технологиясы
4
Операциялық жүйелер


Операциялық жүйе кеңейтілген машина түрінде
Ресурстар менеджері түріндегі операциялық жүйе
U s u a rio 2
U s u a rio 1
U s u a rio n
c o m p ila d o r
e d ito r
s i s te m a d e
ba ses de datos
P r o g ra m a s d e l s is te m a y a p lic a c io n e s
S is te m a O p e r a tiv o
H a r d w a re
5
Негізгі элементтер

Процессор
– Компьютер іс-әрекеттерін бақылауды іске саырады
– Мәліметтерді өңдеу функцияларын орындайды

Негізгі жады
– Нақты оперативті немесе алғашқы жады деп аталады
– Энергияға тәуелділік

Енгізу-шығару құрылғылары
 Перифериялық құрылғылардан тұратын сыртқы орта және
компьютерлерарсасындағы мәліметтермен алмасуға қызмет етеді:




Қосымша жады
Коммуникациялық құрылғылар
Терминалдар
Жүйелік шина
 Енгізу-шығару құрылғылар және негізгі жадының процессормен
арасындағы әрекеттестікті қамтамасыз етеді
6
Компьютердің жалпы құрылымы
7
Процессордің регистрлеры

MAR - Memory Address Register (жады адресінің регистрі)
 Жазбаларды оқу операциясы болуы үшін жады адресінің
регистріне енгізіледі

MBR - Memory Buffer Register (жады буферінің регистрі)
– Жадыға жазылуға арналған мәліметтер
– Жадыдан оқылған мәліметтер

I/OAR - I/O Address Register (Енгізу-шығару адресінің регистрі)
 Енгізу-шығару құрылғысының номері беріледі

I/OBR - I/O Buffer (Енгізу-шығару буферінің адрес регистрі)
 Мәліметтер алмасуы үшін қызмет етеді
8
Процессордің регистрлеры

Негізгі жадыға қарағанда кішірек сыйымдылықты жадының тез
қатынау облысы

Орындау кезінде уақытша мәліметтерді сақтайды
9
Процессордің регистрлеры
• Тұтынушы қатынауына регистрлер
– Програмистқа негізгі жадыға түсетін қатынаулар санын
қысқартуға көмектеседі, сонымен бірге машина тілі
көмегімен регистрлерді пайдалану тиімділгін арттырады
• Басқару регистрі және күйлер регистрі
– Процессорда
орындалып
бақылауға қолданады
жатқан
– Қызметі
жоғары
операциялық
прграммалары
орындалып
программаларады бақылайды
операцияларды
жуйенің
жатқан
кейбір
басқа
10
Процессордің регистрлері
Тұтынушы қатынайтын регистрлер
– Тұтынушы
оларға
қатынай алады
машиналық
команда
көмегімен
– Оларға барлық программалар қатынауына болады
Регистрлер түрлері
– Мәліметтер регистрлері
– Адресті регистрлері
– Шартты код регистрі
11
Тұтыныушы кіруге болатын регистрлер

Мәліметтер регистрі
– Мәліметерді
операциялаудың
барлық
командалары үшін жалпы белгілеу бар

машиналық
Адрестер регистрі
– Негізгі жадыдағы мәліметтер және командалар адрестрі
бар
– Толық адресте есептеулер кезінде адрестердің бір бөлігі
орындалуы мүмкін



Индекстер регистрі
Сегменттер регистрі
Стектер регистрі
12
Тұтыныушы кіруге болатын Регистрлер
Адресті регистрлер
– Индекс регистрі

Базалық
регистрдегі
және
индексті
регистрлердің
ішіндегілерді қосудың негізінде адрес алынады
– Сегмент регистрі

Жады сегменттерге бөлінеді. Ұяшық адресі сегмент адресін
қосу арқылы алынады
– Стек регистрі

Специальный регистр, в котором размещен указатель на
вершину стека
13
Басқарушы регистрлер және күйдің регистрлері

Program Status Word (PSW) – Сөздер регистрі программалар күйі
– Шарттар кодтары
– Үзілістерге рұқат/тыйым салу
– Жүйелік /қолданушылық режим

Шарттар кодтары
– Орнатылған
немесе
процессорде
операциялардың
қорытындыларына
лақтырылған биттердің тізбегі
орындалған
тәуелді
– Кез-келген машиналық командалар оқу мүмкіндігі бар
бірақ өзгертуге болмайды
Мысалдар
– Оң мән, Теріс мән, Нөл, Толысу
14
Басқарушы регистрлер және күйдің регистрлері

MAR, MBR, I/OAR, I/OBR

Program Counter (PC) – Программалық санаушы
– Жадыдан таңдалынатын командылар адрестері

Instruction Register (IR) – Командалар регистрі
– Жадыдан таңдалған соңғы командалардан тұрады
15
Команданы орындау


Процессор программаның командаларын орындайды
Командалар
жадыдан
бір-бірден
таңдалып
сосын
орындалуға жіберіледі
Команданы орындау негізгі циклы
16
Таңдау және команданы орындау



Процессор команданы жадыдан таңдайды
Программалық санаушы келесі таңдалған командалар адресін
есептейді
Программалық санауыш бірге артады
17
Командалар регистрі


Алынып
тасталған
толтырылады
Командалар түрлері
команда
командалар
регистріне
* Жады-Процессор

Процессордан жадыға және керісінше мәліметтер мен алмасу
– Процессор енгізу-шығару құрылғылары

Мәліметтер перифериялық құрылғылардан беріледі және
керісінше
– Мәліметтерді өңдеу

Арифметикалық және логикалық амалдар
* Басқару

Командалар орындалуы тізбегін өзгерту
18
Прерывания

Прерывания нормальной последовательности выполнения
– простановка процесса, вызванная внешним к этому
процессу событием и выполняемая таким путем, что
процесс может быть продолжен

Повышение эффективности работы
– Позволяют процессору выполнять другие команды, пока
осуществляются операции ввода-вывода

Программа пользователя не включает в себя специальный код,
чтобы приспособиться к прерываниям

За приостановку команды пользователя и возобновление ее
работы отвечает процессор и ОС
19
Программа В-ВВ

Последовательность команд (4), которые служат для
подготовки к операциям В-ВВ. сюда входят копирование
выводимых данных в специальный буфер и подготовка набора
параметров, необходимых для управления устройством.

Собственно команды В-ВВ. если программа не использует
прерываний, ей следует ждать, пока У В-ВВ не выполнит
требуемые операции.

Последовательность команд (5), которые служат для
завершения операции. Эта последовательность может
содержать
установку
флагов,
свидетельствующих
об
успешности или неудачном завершении операции.
20
Прерывания
21
Классы прерываний

Программное прерывание
– арифметическое переполнение; деление на ноль
– выполнение некорректной команды
– ссылка на область памяти, доступ к которой пользователю
запрещен

Прерывание по таймеру
– Генерируется таймером процессора. Позволяет ОС выполнять
функции периодически

Прерывание ввода-вывода
– Генерируется контроллером В-ВВ. сигнализирует о нормальном
завершении операции или о наличии ошибок

Аппаратное прерывание
– Например, падение напряжения в сети
22
Обработчик прерываний

Программа, которая определяет природу прерывания и
выполняет необходимые действия (например, какой из
устройств В-ВВ сгенерировал прерывание)

Может передать управление программе, которая должна
вывести данные на устройство В-ВВ

Общая часть операционной системы
23
Цикл команды с прерываниями
24
Цикл прерывания

Процессор проверяет наличие сигналов прерываний

Если прерываний нет, выбирается следующая команда
для текущей программы

При
поступлении
прерывания
процессор
приостанавливает работу с текущей программой и
выполняет обработчик прерываний
25
Обработка простого прерывания
Hardware
Software
26
Множественные прерывания – Последовательный порядок

Запрет прерываний, процессор может закончить обработку
прерывания

Прерывания остаются ожидать до тех пор пока процессор
вновь не сможет обрабатывать прерывания

После завершения работы программы обработки прерывания
запрет снимается, процессор проверяет наличие других
прерываний

Недостаток
– Не учитывается приоритет прерываний и те ситуации, в
которых время является критическим параметром
27
Множественные прерывания – Приоритеты


Прерывания с более высоким приоритетом приостанавливают
обработку прерываний с более низким приоритетом
Вызывается обработчик прерывания с более низким
приоритетом
Пример
Когда входные данные поступают по коммуникационной линии
необходимо, чтобы данные были быстро приняты чтобы
освободить место для новых входных данных
28
Множественные прерывания
Передача управления при
множественных прерываниях
29
Многозадачность


Процессор имеет более одной программы на выполнение
Последовательность выполнения программ зависит от их
относительных приоритетов, а также от того, ожидают ли они
завершения ввода-вывода

После
завершения
работы
обработчика
прерываний,
управление не обязательно сразу же передается программе
пользователя, которая выполнялась до этого

Управление может быть передано другой программе, которая
находится в состоянии ожидания и обладает более высоким
приоритетом
30
Иерархия запоминающих устройств
31
Рассмотрение иерархии сверху вниз

Снижение стоимости бита

Возрастание емкости

Возрастание времени доступа

Снижение частоты обращений процессора к памяти
32
Кэш-память

Часть основной памяти используется
содержания временных данных
как
буфер
для

Записи на диск сгруппированы

На некоторые использованные данные могут быть повторные
обращения. Данные восстанавливаются быстрее из кэша, а не
из более медленного диска
33
Кэш-память

Скорость процессора намного быстрее, чем скорость доступа к
памяти.

Поиск компромисса между скоростью, стоимостью и емкостью

Использование принципа локализации
– Невидимая для операционной системы
– Большая скорость доступа к памяти
– Малая емкость
34
Кэш-память
35
Кэш-память

Содержит часть основной памяти

Процессор вначале проверяет кэш

Если искомого слова нет в кэше, блок памяти, содержащий
необходимую информацию, считывается в кэш
36
Структура кэша и основной памяти
37
Внутреннее устройство кэша

Размер кэша
– сравнительно маленький кэш может оказать значительное
влияние на производительность компьютера

Размер блока
– величина порции данных, которая передается из основной
памяти в кэш
– При увеличении размера блока в соответствии с
принципом
локализации
обращений
растет
результативность поиска. Однако есть некое предельное
значение, при превышении которого результативность
поиска начинает уменьшаться.
38
Внутреннее устройство кэша

Функция отображения
– Определяет, какое место будет отведено для этого блока

Алгоритм замещения
– Определяет, какой блок выбрать для замещения

Least-Recently-Used (LRU) algorithm - Алгоритм недавнего
использования блока
– Заменяется блок, к которому дольше всего не было
обращений
– При этом используется
реализованный механизм
соответствующий
аппаратно
39
Внутреннее устройство кэша
Политика записи
 Запись содержимого кэша
– запись
производится
модифицируется
каждый
раз,
когда
блок
– запись производится только, когда блок заменятся


минимизирует количество записей в память
В
блоках
основной
памяти
содержится
устаревшая
информация. Возможны ошибки при многопроцессорной
обработке, а также при прямом доступе к памяти со стороны
модулей ввода-вывода
40
Программируемый ввод-вывод

Контроллер В-ВВ выполняет требуемое действие

Устанавливает соответствующие биты в регистрах состояния
В-ВВ

Контроллер В-ВВ не посылает сигналов прерываний

Процессор производит проверку состояния модуля В-ВВ до тех
пор, пока операция В-ВВ не завершится
41
Программируемый ввод-вывод
42
Ввод - вывод с использованием прерывания





Работа процессора прерывается, когда контроллер В-ВВ
посылает сигнал о готовности читать или принимать новые
данные
Процессор передает контроллеру команду В-ВВ
Процессор может выполнять другую работу
Нет бесполезного ожидания
Потребляется много процессорного времени, потому что
каждое слово, передаваемое из памяти в модуль В-ВВ или
обратно, должно пройти через процессор
43
Ввод - вывод с использованием прерывания
44
Недостатки программируемого и управляемого В-ВВ

Скорость передачи данных при В-ВВ ограничена скоростью, с
которой процессор может проверять и обслуживать устройство.

Процессор занят организацией передачи данных; при В-ВВ для
каждой
передачи
данных
должна
быть
выполнена
определенная последовательность команд.
45
Direct Memory Access - Прямой доступ к памяти


Функции
DMA
выполняются
отдельным
контроллером
системной шины.
Процессор генерирует команду для модуля DMA, посылая
следующую информацию:
– Указание, требуется выполнить запись или чтение
– Адрес устройства В-ВВ
– Начальный адрес блока памяти, который используется для
З-Ч
– Количество слов, которые должны быть прочитаны или
записаны


После окончания передачи контроллер посылает процессору
сигнал прерывания
Процессор участвует только в начале и в конце передачи
данных
46
Прямой доступ к памяти
47
Темы докладов

Структура и функции центрального процессора

Регистры процессора

Процессор Pentium

Цикл обработки команды
48