Операционные системы

 В данной ситуации  может быть использовано много  разных критериев выбора, наиболее  популярные из них – «первая  попавшаяся страница» или «страница, к которой в последнее время  было меньше всего обращений» [4].

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 (по таблице страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.

При каждом обращении к оперативной памяти с помощью аппаратных средств выполняются следующие действия:

1) на основании начального  адреса таблицы страниц (содержимое  регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице;

2) из этой записи извлекается номер физической страницы;

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

Использование в последнем пункте того факта, что размер страницы равен степени числа 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а, следовательно, повышает производительность системы.

Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что, во-первых, программа может загружаться в несмежные области, а, во-вторых, при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.

При сегментном распределение памяти виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация 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 в дисковой памяти. Сегменты одного процесса могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают 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 системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в 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 распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное преобразование адреса по сравнению со страничной организацией памяти.

Странично-сегментное распределение памяти представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной 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 [4].

Разновидностью виртуальной памяти является так называемый свопинг (swapping). В соответствии с методом свопинга некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу [2].

Рассмотрим иерархию запоминающих устройств (ЗУ) и принцип кэширования информации.

Память ВМ представляет собой иерархию ЗУ, включающую внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной, оперативной и постоянной памяти, внешнюю память на магнитных дисках и других типах устройств. Разные типы ЗУ отличаются средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит.

Кэширование информации – это способ организации совместного функционирования двух типов ЗУ, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования наиболее часто используемой информации из относительно более «медленного» ЗУ в более «быстрое» ЗУ. Кэш-памятью обычно называют одно из таких взаимодействующих устройств, а именно «быстрое» ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. Таким образом кэширование представляет собой некоторое компромиссное решение  проблемы  стоимости и быстродействия памяти. Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, то есть пользователь не должен сообщать никаких сведений  об интенсивности использования информации  и никак не должен участвовать в перемещении информации  из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа. Все это делается автоматически системными средствами.

На практике в кэш-память считывается не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок данных. Это увеличивает вероятность так называемого «попадания в кэш», то есть нахождения нужных данных в кэш-памяти. В реальных системах вероятность попадания в кэш составляет примерно 0,9.

Высокое значение вероятности нахождения данных в кэш-памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Под пространственной локальностью данных в кэш-памяти понимается такой случай, когда произошло обращение по некоторому адресу и с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

Под временной локальностью данных в кэш-памяти понимается случай большой вероятности обращения  по этому же адресу  в ближайшее время.

Все предыдущие рассуждения справедливы и для других пар запоминающих устройств, например, для оперативной памяти и внешней памяти. В этом случае уменьшается среднее время доступа к данным, расположенным, например, на магнитном диске, а роль кэш-памяти выполняет буфер в оперативной памяти [4].

Управление вводом-выводом

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода ВМ. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью машины. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (принцип независимости от устройств).

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства.

Блок-ориентированные устройства ввода-вывода хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство – диск.

Байт-ориентированные устройства ввода-вывода не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются мониторы, принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Любое внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называют контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

ОС обычно имеет дело не с устройством, а с его контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки (состоящие из байт), осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых ВМ эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких ВМ нет специальных операций ввода-вывода. В других машинах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода.

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей. Ключевым принципом является независимость от устройств ввода-вывода. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила [4].

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. В лучшем случае ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос – это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно – процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Проблема состоит также в том, что одни устройства ввода-вывода являются разделяемыми, а другие – выделенными. Диски – это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не является проблемой. Принтеры – это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.

Для решения имеющихся проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя:

1) обработка прерываний;

2) драйверы устройств;

3) слой операционной системы, независимый от устройств;

4) пользовательский слой  программного обеспечения.

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в «недрах» ОС, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания.  При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение.

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Каждый драйвер управляет устройствами одного типа или, может быть, одного класса. В ОС, как правило, только драйвер устройства обладает информацией о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает, во-первых, преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, во-вторых, проверку, работает ли двигатель, находится ли головка над нужным цилиндром и т.п. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности. После передачи команды контроллеру драйвер должен решить следующий вопрос: блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время (например, при печати некоторого блока данных), то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.