ОС как система управления ресурсами

Операционные системы (ОС).

Под ОС обычно понимают комплект управляющих программ, которые вступают как интерфейс между аппаратурой компьютера, и предназначены для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы, организации надежных вычислений. Любой из компонентов программного обеспечения работает под управлением ОС, и ни один из компонентов ПО, за исключением самой ОС не имеет доступа непосредственно к аппаратуре.

Основными функциями ОС являются:

1. Прием от пользователя заданий или команд.

2. Прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку и

остановку других программ.

3. Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.

4. Инициация программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).

5. Идентификация всех программ и данных.

6. Обеспечение работы системы управления файлами и СУБД. что увеличивает эффективность работы всего ПО.

7. Обеспечения режима мультипрограммирования, т. е. выполнение 2 или более программ на 1 процессоре, воздающие видимость их одновременного исполнения.

8. Управление операциями ввода/вывода.

9. Удовлетворение жестким ограничениям в режиме реального времени.?? 10. Распределение памяти, организация виртуальной памяти.

11. Планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданными стратегией и дисциплинами обслуживания.

12. Обмен сообщениями и данными между выполняющимися программами.

13. Защита программ от влияния друг на друга. обеспечение сохранности данных.

14. Предоставление услуг на случай сбоя системы.

15. Обеспечение работы систем программирования.

Назначение ОС

ОС как виртуальная машина

ОС предоставляет пользователю виртуальную машину, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

Например, чтобы считать или записать информацию на дискету, надо:

· Запустить двигатель вращения дискеты

· Управлять шаговым двигателем перемещения головки

· Следить за индикатором присутствия дискеты

· Выбрать номер блока на диске

· Выбрать дорожку

· Выбрать номер сектора на дорожке

· и.т.д

ОС как система управления ресурсами

Чтобы несколько программ могло работать с одним ресурсом (процессор, память), необходима система управления ресурсами.

Способы распределения ресурса:

· Временной - когда программы используют его по очереди, например, так система управляет процессором.

· Пространственный - программа получает часть ресурса, например, так система управляет оперативной памятью и жестким диском.

Программа.

Компьютерная программа — это последовательность инструкций, которая предназначена для исполнения вычислительной машиной. Образ программы, чаще всего, хранится в памяти машины (например, на диске) как исполняемый модуль (один или несколько файлов). Из образа на диске с помощью специального программного загрузчика может быть построена исполняемая программа уже в оперативной памяти машины.

Термин «компьютерная программа» в зависимости от своего контекста, может применяться также к исходным текстам (или кодам) программы. Их примеры могут быть просмотрены в специальных каталогах исходников. Вместе с правилами и процедурами, а также с документацией по функционированию программных систем обработки данных, компьютерные программы составляют понятие программного обеспечения.

• 

В системном программировании имеет место более формальное определение программы как машинных кодов и данных, загруженных в оперативную память компьютера, и исполняемыхпроцессором машины для достижения поставленной цели. В этом определении подчеркиваются две особенности компьютерной программы: нахождение ее в памяти и исполнение процессором машины.

Процесс создания компьютерной программы называется «программированием», а люди, занимающиеся этим видом деятельности, называются программистами. При разработке компьютерных программ в них довольно часто возникаютошибки. Считается, что в программе содержатся ошибки, если для каких-то данных программа дает неправильные результаты, сбои или отказы. Если программа выдает правильные результаты обработки для всех возможных входных данных, то можно считать, что она не содержит ошибок.

Процесс поиска ошибок в программах и их исправления называется отладкой программ. Обычно, заранее неизвестно, сколько ошибок содержит программа. По этой причине заранее неизвестна и продолжительность отладки программ.

Запись исходных текстов компьютерных программ при помощи специальных языков программирования (ЯП) облегчает человеку понимание и редактирование программ. Этому, также, помогают комментарии, допускаемые синтаксисом большинства языков программирования. Для выполнения программы на компьютере ее готовый исходный текст преобразуется (компилируется или интерпретируется) в машинный код, исполняемый процессором.

Программы с исходными текстами, доступными для прочтения и изменения любым желающим, называются открытыми программами. Любая компьютерная программа является объектом авторского права. Авторы или собственники программ имеют право ограничивать и даже полностью закрывать доступ к их исходным текстам, которые являются интеллектуальной собственностью правообладателей.

Некоторые языки программирования (интерпретируемые) позволяют обойтись без предварительной компиляции написанных на них программ, и специальные программы-интерпретаторы переводят такие программы в машинный код уже во время исполнения программы. Этот процесс называется интерпретированием или динамической компиляцией. Он позволяет улучшить переносимость программ между различными программными и аппаратными платформами. Интерпретируемые программы часто называются сценариями или скриптами.

В большинстве распространенных ЯП исходные тексты программ состоят из списков инструкций, описывающих заложенный в программе алгоритм. Такой подход называется императивным. Но применяются и иные методологии программирования. Так, например, в декларативном программировании описываются исходные и требуемые характеристики обрабатываемых данных, а выбор подходящего алгоритма решения описанной задачи поручается специализированной программе-интерпретатору. Применяются также логическое и функциональное программирование.

Процессы

Понятие процесса

Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения.

С каждым процессом связывается его адресное пространство, из которого он может читать и в которое он может писать данные.

Адресное пространство содержит:

· саму программу

· данные к программе

· стек программы

С каждым процессом связывается набор регистров, например:

· счетчика команд (в процессоре) - регистр в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, счетчик команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.

· указатель стека

· и д.р.

Во многих операционных системах вся информация о каждом процессе, дополнительная к содержимому его собственного адресного пространства, хранится в таблице процессов операционной системы.

Некоторые поля таблицы:

Управление процессом	Управление памятью	Управление файлами
Регистры Счетчик команд Указатель стека Состояние процесса Приоритет Параметры планирования Идентификатор процесса Родительский процесс Группа процесса Время начала процесса Использованное процессорное время	Указатель на текстовый сегмент Указатель на сегмент данных Указатель на сегмент стека	Корневой каталог Рабочий каталог Дескрипторы файла Идентификатор пользователя Идентификатор группы

Модель процесса

В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно).

Рассмотрим схему с четырьмя работающими программами.

 

 

В каждый момент времени активен только один процесс

 

 

С права представлены параллельно работающие процессы, каждый со своим счетчиком команд. Разумеется, на самом деле существует только один физический счетчик команд, в который загружается логический счетчик команд текущего процесса. Когда время, отведенное текущему процессу, заканчивается, физический счетчик команд сохраняется в памяти, в логическом счетчике команд процесса.

Создание процесса

Три основных события, приводящие к созданию процессов (вызов fork или CreateProcess):

· Загрузка системы

· Работающий процесс подает системный вызов на создание процесса

· Запрос пользователя на создание процесса

Во всех случаях, активный текущий процесс посылает системный вызов на создание нового процесса.

В UNIX каждому процессу присваивается идентификатор процесса (PID - Process IDentifier)

Завершение процесса

Четыре события, приводящие к остановке процесса (вызов exit или ExitProcess):

· Плановое завершение (окончание выполнения)

· Плановый выход по известной ошибке (например, отсутствие файла)

· Выход по неисправимой ошибке (ошибка в программе)

· Уничтожение другим процессом

Таким образом, приостановленный процесс состоит из собственного адресного пространства, обычно называемого образом памяти (core image), и компонентов таблицы процессов (в числе компонентов и его регистры).

Иерархия процессов

В UNIX системах заложена жесткая иерархия процессов. Каждый новый процесс созданный системным вызовом fork, является дочерним к предыдущему процессу. Дочернему процессу достаются от родительского переменные, регистры и т.п. После вызова fork, как только родительские данные скопированы, последующие изменения в одном из процессов не влияют на другой, но процессы помнят о том, кто является родительским.

В таком случае в UNIX существует и прародитель всех процессов - процесс init.

Состояние процессов

Три состояния процесса:

· Выполнение (занимает процессор)

· Готовность (процесс временно приостановлен, чтобы позволить выполняться другому процессу)

· Ожидание (процесс не может быть запущен по своим внутренним причинам, например, ожидая операции ввода/вывода)

Возможные переходы между состояниями.

1. Процесс блокируется, ожидая входных данных

2. Планировщик выбирает другой процесс

3. Планировщик выбирает этот процесс

4. Поступили входные данные

Переходы 2 и 3 вызываются планировщиком процессов операционной системы, так что сами процессы даже не знают о этих переходах. С точки зрения самих процессов есть два состояния выполнения и ожидания.На серверах для ускорения ответа на запрос клиента, часто загружают несколько процессов в режим ожидания, и как только сервер получит запрос, процесс переходит из "ожидания" в "выполнение". Этот переход выполняется намного быстрее, чем запуск нового процесса.

Понятие потока

· Поток - именно исполняемая часть, планируемая ядром.

· Волокно - облегченный поток, управляемый полностью в пространстве пользователя. Один поток может содержать несколько волокон.

Потоки работают в режиме пользователя, но при системных вызовах переключаются в режим ядра. Из-за переключения в режим ядра и обратно, очень замедляется работа системы. Поэтому было введено понятие волокна. У каждого потока может быть несколько волокон.

Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.

 

Сравнение многопоточной системы с однопоточной

 

Модель потока

С каждым потоком связывается:

· Счетчик выполнения команд

· Регистры для текущих переменных

· Стек

· Состояние

Потоки делят между собой элементы своего процесса:

· Адресное пространство

· Глобальные переменные

· Открытые файлы

· Таймеры

· Семафоры

· Статистическую информацию.

В остальном модель идентична модели процессов.

В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.

В Linux есть новый системный вызов clone для создания потоков, отсутствующий во всех остальных версиях системы UNIX.

В POSIX есть новый системный вызов pthread_create для создания потоков.

В Windows есть новый системный вызов Createthread для создания потоков.

 

Монолитная система

Структура системы:

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Простая модель монолитной системы

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура (например, читать из файла). Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам (например, для чтения и записи файла необходима утилита работы с диском).

Этапы обработки вызова:

· Принимается вызов

· Выполняется переход из режима пользователя в режим ядра

· ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен

· После этого ОС обращается к таблице, содержащей ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру.

Многоуровневая структура ОС

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

 

Пример структуры многоуровневой системы

Преимущества:

· Высокая производительность

Недостатки:

· Большой код ядра, и как следствие большое содержание ошибок

· Ядро плохо защищено от вспомогательных процессов

Пример реализации многоуровневой модели UNIX.

 

 

Структура ОС UNIX

 

 

Ядро ОС UNIX

Пример реализации многоуровневой модели Windows

 

Структура Windows 2000

Обобщение сравнения моделей

Сравнения моделей.

 

2. Процесс - контейнер для ресурсов и исходных кодов программ. С каждым процессом программа связывает её адресное пространство, которое содержит стек, данные, набор регистров.

Основной задачей процессора является выполнение машинных команд, которые находятся в основной памяти и составляют программу.

Три события приводят к созданию процесса:

· загрузка системы;

· уже работающий процесс вызывает запрос на создание процесса;

· запрос пользователя на создание процесса.

Создать процесс означает:

· создать описатель процесса;

· загрузить коды и данные исполняемой программы процесса с диска в оперативную память;

· в многопоточной системе для каждого создаваемого процесса создать как минимум один поток выполнения.

 

Процесс не может сам перейти из одного состояния в другое. Изменением состояния процессов занимается операционная система, совершая операции над ними:

1) Создание процесса — завершение процесса;

2) Приостановка процесса (перевод из состояния исполнение в состояние готовность) — запуск процесса (перевод из состояния готовность в состояние исполнение);

3) Блокирование процесса (перевод из состояния исполнение в состояние ожидание) — разблокирование процесса (перевод из состояния ожидание в состояние готовность).

Сущ-ет ещё 1 операция: изменение приоритета процесса. Операции создания и завершения процесса явл-ся одноразовыми, т. к. применяются к процессу не более 1 раза. Все остальные операции, связанные с изменением сост. процесса (запуск или блокировка), как правило, явл-ся многоразовыми. ОС выполняет операции над процессами след. образом.

Чтобы ОС могла выполнять операции над процессам, каждый процесс представляется в ней некоторой структурой данных, содержащей информацию специф-ую д/данного процесса:

1) состояние, в котором нах-ся процесс;

2) программный счётчик процесса, т.е. адрес команды, кот. д.б. выполнена следующей;

3) содержимое регистров в процессорах;

4) данные, необходимые д./планирования использования процессора и управления памятью; (приоритет процесса, расположение адресного пространства и т.д.)

5) учетные данные (id номер процесса, какой юзер инициировал процесс, общее время исполнения процесса данным процессором)

6) сведения об устройствах вв/выв, связанных с процессом; состав этой структуры, ее строение зависят от конкретной ОС.

Состояние процессов. В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

ВЫПОЛНЕНИЕ - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 2.1.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

 

Рис. 2.1. Граф состояний процесса в многозадачной среде

 

 

Полный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

1) Процесс выполняется в режиме задачи.

2) Процесс выполняется в режиме ядра.

3) Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

4) Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

5) Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.

6) Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

7) Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс. Об отличии этого состояния от состояния 3 (готовность к запуску) пойдет речь ниже.

8) Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.

9) Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

 

Планирование процессов. Планирование - обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору.

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

1) определение момента времени для смены выполняемого процесса;

2) выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

3) переключение контекстов "старого" и "нового" процессов.

Ситуации, когда необходимо планирование:

Когда создается процесс

Когда процесс завершает работу

Когда процесс блокируется на операции ввода/вывода, семафоре, и т.д.

При прерывании ввода/вывода.

Планирование может быть краткосрочным и долгосрочным. Долгосрочное планирование предполагает стратегическое формирование очередей таким образом, чтобы процессы, запускаемые на выполнение в одно и то же время (в мультипрограммном режиме), как можно меньше конфликтовали в борьбе за ресурсы. Основной задачей краткосрочного планирования (которое называется диспетчеризацией) является организация вычислений для уже стоящих в очереди и вновь поступающих процессов таким образом, чтобы пропускная способность вычислительной системы и загрузка процессора были максимальными. Дополнительной задачей диспетчеризации является устранение или уменьшение дискриминации одних процессов перед другими что включает в себя предотвращение т.н. «бесконечного откладывания». Можно сказать, что долгосрочное планирование решает стратегические задачи планирования, а краткосрочное — тактические задачи.

Алгоритм, реализующий правила обслуживания, называется алгоритмом планирования процессов.

Алгоритм планирования без переключений (неприоритетный) - не требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс останавливается только когда блокируется или завершает работу.

Алгоритм планирования с переключениями (приоритетный) - требует прерывание по аппаратному таймеру, процесс работает только отведенный период времени, после этого он приостанавливается по таймеру, чтобы передать управление планировщику.

Необходимость алгоритма планирования зависит от задач, для которых будет использоваться операционная система.

Основные три системы:

1) Системы пакетной обработки - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: для расчетных программ).

2) Интерактивные системы - могут использовать только приоритетный алгоритм, нельзя допустить чтобы один процесс занял надолго процессор (например: сервер общего доступа или персональный компьютер).

3) Системы реального времени - могут использовать неприоритетный и приоритетный алгоритм (например: система управления автомобилем).

Задачи алгоритмов планирования:

Для всех систем

Справедливость - каждому процессу справедливую долю процессорного времени

Контроль над выполнением принятой политики

Баланс - поддержка занятости всех частей системы (например: чтобы были заняты процессор и устройства ввода/вывода)

Системы пакетной обработки

Пропускная способность - количество задач в час

Оборотное время - минимизация времени на ожидание обслуживания и обработку задач.

Использование процесса - чтобы процессор всегда был занят.

Интерактивные системы

Время отклика - быстрая реакция на запросы

Соразмерность - выполнение ожиданий пользователя (например: пользователь не готов к долгой загрузке системы)

Системы реального времени

Окончание работы к сроку - предотвращение потери данных

Предсказуемость - предотвращение деградации качества в мультимедийных системах (например: потерь качества звука должно быть меньше чем видео).

 

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами (планировщик).

Функции планировщика:

· Постановка процессов в очередь готовых к выполнению;

· Управление очередью готовых процессов;

· Выбор из очереди готового процесса, с переводом его в активное состояние, т.е. передача контроля над центральным процессором выбранному процессу.

Планировщик задач – это специальная утилита или сервис ОС (операционной системы), предназначенная для запуска других программ или скриптов, без непосредственного участия пользователя. Также, планировщик может удалять различные файлы (например, временные файлы), записи реестра или другую информацию, становящуюся со временем ненужной. Запуск программ с помощью планировщика происходит в зависимости от таких критериев, как наступление заданного времени, переход ОС из одного состояния в другое (ждущий, спящий режимы и т.д.) или при выполнении какого-либо заданного сценария, например: поступление административного запроса от пользователя или через удаленное администрирование.

Одно из преимуществ использования планировщиков заключается в том, что можно автоматизировать однотипную, повторяющуюся работу на компьютере, чтобы не тратить много времени.

В отличии встроенного в операционную систему планировщика задач, специальные утилиты поддерживают большее количество функций, зачастую имеют более гибкие и расширенные настройки и, по сравнению со встроенными планировщиками, более удобны в использовании. Обычно, модуль планирования задач в утилитах-планировщиках разработан таким образом, чтобы использовать как можно меньше ресурсов оперативной памяти, а также процессорного времени.

 

Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии. Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значением. Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы, либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным *** на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими.

Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.

Приоритеты, в свою очередь, могут быть фиксированными или динамическими:

· *** Фиксированные приоритеты — являются величиной постоянной на всем жизненном цикле процесса.

· Динамические приоритеты — изменяются в зависимости от некоторых условий в соответствии с определенными правилами.

Фиксированные приоритеты реализуются проще; для реализации динамических приоритетов необходимы дополнительные затраты, но их использование предполагает более справедливое распределение процессорного времени между процессами.

 

Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст. Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.

Регистровый контекст состоит из следующих компонент:

1) Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.

2) Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит подполя, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным, переполнен ли регистр с установкой бита переноса и т.д. Операции, влияющие на установку регистра PS, выполняются для отдельного процесса, потому-то в регистре PS и содержится аппаратный статус машины по отношению к процессу. В других имеющих важное значение подполях регистра PS указывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи). По значению подполя текущего режима выполнения процесса устанавливается, может ли процесс выполнять привилегированные команды и обращаться к адресному пространству ядра.

3) Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам), но для нас сейчас эти вопросы несущественны.

4) Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения. Чтобы облегчить последующие объяснения, выделим среди них два регистра - регистр 0 и регистр 1 - для дополнительного использования при передаче информации между процессами и ядром.

Системный контекст процесса имеет "статическую часть" (первые три элемента в нижеследующем списке) и "динамическую часть" (последние два элемента). На протяжении всего времени выполнения процесс постоянно располагает одной статической частью системного контекста, но может иметь переменное число динамических частей. Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:

1) Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса (раздел 6.1) и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.

2) Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.

3) Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу. Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.

4) Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра. Пусть, например, один процесс вызывает функцию creat и приостанавливается в ожидании назначения нового индекса, а другой процесс вызывает функцию read и приостанавливается в ожидании завершения передачи данных с диска в память. Оба процесса обращаются к функциям ядра и у каждого из них имеется в наличии отдельный стек, в котором хранится последовательность выполненных обращений. Ядро должно иметь возможность восстанавливать содержимое стека ядра и положение указателя вершины стека для того, чтобы возобновлять выполнение процесса в режиме ядра. В различных системах стек ядра часто располагается в пространстве процесса, однако этот стек является логически-независимым и, таким образом, может помещаться в самостоятельной области памяти. Когда процесс выполняется в режиме задачи, соответствующий ему стек ядра пуст.

4) Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.

 

 

Рисунок 6.8. Компоненты контекста процесса

 

Переключение контекста. Ядро разрешает производить переключение контекста в четырех случаях: когда процесс приостанавливает свое выполнение, когда он завершается, когда он возвращается после вызова системной функции в режим задачи, но не является наиболее подходящим для запуска, или когда он возвращается в режим задачи после завершения ядром обработки прерывания, но так же не является наиболее подходящим для запуска. Ядро поддерживает целостность и согласованность своих внутренних структур данных, запрещая произвольно переключать контекст. Прежде чем переключать контекст, ядро должно удостовериться в согласованности своих структур данных: то есть в том, что сделаны все необход