Шпаргалка по "Операционные системы и среды "

Виртуальная память работает также в многозадачной  системе при одновременно находящихся  в памяти частей многих программ.

Страничная  организация памяти

       Программа                                                   ОП                       

 

Виртуальные страницы                                    Страничные блоки 

 Адреса памяти  формируются с использованием  базовых регистров, сегментных регистрах и другой памяти. Эти программно- сформированные адреса называются виртуальными, образующие виртуальное адресное пространство.

Виртуальные адреса передаются диску через память, который  преображает виртуальные адреса в физические, связь между ними  осуществляется с помощью таблицы  страниц. Пространство виртуальных  адресов разделено на единицы, называемые страницами. Соответствующие страницы физической памяти называются страничными  блоками. Страницы и блоки всегда имеют одинаковый размер.

Виртуальный адрес  при страничном распределении может  быть представлен в виде пары PS, где P- номер станицы, S- смещение в пределах страницы.

При каждом обращении  к ОП аппаратными  средствами выполняются  следующие действия:

1. На основании начального адреса таблицы страниц  номер виртуальной страницы и длины записи в таблице страниц определяется адрес нужной записи.
2. Из записи извлекается номер физической страницы.
3. К номеру физической страницы добавляется смещение.

На производительность систем со страничной организацией влияют временные затраты, связанные с  обработкой страничных прерываний и  преобразования виртуального адреса в  физические. При часто возникающих  страничных прерываний система большую  часть времени тратит на свопинг  страниц.

Чтобы уменьшить  частоту страничных прерываний можно  было бы увеличить размер страниц, уменьшив тем самым затраты памяти. Но с другой стороны возникли проблемы с работой программ.

Образец структуры элемента таблицы строки.

 

№ страничного блока- наиболее важное поле.

Бит присутствия/ отсутствия- если бит равен единице, может производится запись; если бит равен нулю, то страница, которой соответствует эта запись, в данный момент отсутствует в памяти.

Бит защиты- показывает какие разрешены виды доступа к этой страницы.  Обычно, если бит равен единице- только чтение или запись, если нулю- только чтение. Более сложные схемы имеют три бита, по одному для запуска каждой операции: чтения, запись и выполнение страницы.

Бит изменения( грязный бит)- учитывается когда ОС решает освободить  страничный блок. Если страница в нем была изменена, то ее новая версия должна быть перезаписана на диск. Если она не была изменена, т.е. чистая, то ее можно удалить из памяти т.к. все еще действительна копия на диске.

Бит обращения- устанавливается всякий раз, когда происходит обращение к странице для чтения или записи.  Его значение используется при удалении ОС какой либо страницы из памяти.

Блокировка  кеша- бит запрещает кеширование страницы.

Буфер быстрого преобразования адреса.

Большинство программ делают большое кол-во обращений  к небольшому кол-ву страниц. В результате чего в таблице страниц только малая доля записи читается интенсивно. Поэтому ЭВМ снабжается небольшим  аппаратным устройством, служащим для  отображения виртуальных адресов  в физические  без перехода по таблице страниц. Это устройство называется буфер быстрого преобразования адреса или ассоциативной памятью. Он находится внутри диспетчера памяти и состоит из нескольких записей, каждая из которых содержит инф-цию об одной странице.

Если номер виртуальной  страницы отсутствует в буфере, то диспетчер памяти выполняет его поиск в таблице страниц, после нахождения он удаляет одну из записей в буфере, и на ее место записывает новую.

Алгоритмы замещения страниц.

Когда происходит страничное прерывание, ОС должна выбрать страницу для удаления ее из памяти, чтобы  освободить место для страницы, которую  нужно перенести в память. Для  этого используются специальные  алгоритмы замещения страниц:

1. Оптимальный алгоритм ( на сегодняшний день не применяется). В тот момент, когда происходит страничное прерывание в памяти находится некоторое кол- во страниц. Когда появляется необходимость загрузить новую страницу, из памяти выгружается та страница, к которой было меньше всего обращений.
2. Не использовавшаяся последнее время страница (NRM).  Большинство ЭВМ с виртуальной памятью поддерживают два статусных бита, связанных с каждой страницей: бит R-чтение или запись, бит M- запись. Каждый процесс запускает оба бита равных нулю. Когда происходит страничное прерывание, ОС проверяет все страницы и делит их на 4 категории на основании текущих значений битов R  и M:

0 класс- не было  обращений и изменений

1 класс- не было  обращений, но страница изменена

2 класс- было обращение,  страница не изменена

3 класс- произошло  обращение и изменение.

Удаляется страница при помощи случайного поискав непустом классе с наименьшим номером.

3. Первым прибыл- первым обслужен(FIFO). Довольно редко используется. ОС поддерживает весь список страниц, находящихся в данный момент в памяти, где первая страница считается старейшей, а последняя- недавно прибывшей. При возникновении прерывания выгружается страница находящиеся в начале списка, а новая страница добавляется в конец.
4. Вторая попытка. Смотрится бит обращения R, если обращений к странице не было, то она удаляется из памяти и ее место занимает новая. Если обращение было, значение бита обнуляется и страница попадает в конец списка т.е. она считается только что загруженной.
5. Часы. Страничные блоки хранятся в памяти виде часов, со стрелкой, указывающей на старейшую страницу. Если обращения к старейшей странице не было, она удается, а стрелка сдвигается вниз. Если обращение было, бит обнуляется.
6. Страница не использовавшаяся больше всего (LRU).
7. Редко использовавшаяся страница (NFU). Разновидность LRU. Страница имеет свой программный счетчик, который отслеживает как часто обращались к странице. Удаляется страница с наименьшим числом обращений.
8. Старые страницы. Аналог NFU.
9. Рабочий набор. Представляет собой множество страниц, находящихся в памяти. При возникновении прерывания, выгружаются страницы, находящиеся вне рабочего набора.
10.    WS clock. Усовершенствованные « Часы». Если обращение было и произошло недавно, бит обнуляется и страница остается в памяти. В обратном случае удаляется.

 

Локальное и глобальное распределение  памяти.

При локальном распределении, в области, соответствующей новой  странице,  ищется страница с наименьшим количеством обращений и удаляется (например, если нужно записать новую  страницу А3, то поиск ведется только в области А).

При глобальном распределении  поиск ведется по всем областям, находится страница с наименьшим числом обращений  и заменяется на новую. 

Вопрос 16. Принципы организации системы прерывания команд. 

Во время выполнения ЭВМ текущего процесса могут возникать  события, требующие немедленной  реакции. Машина прерывает обработку  текущей программы и переходит  к выполнению другой программы. По ее выполнению ЭВМ возвращается к прерванной программе. Каждое событие требующие  прерывание сопровождается сигналом, оповещающим ЭВМ.  Этот сигнал называется запросом прерывания.  Запросы прерываний генерируются несколькими параллельно  развивающимися во времени процессами, которые в некоторые моменты  времени требуют вмешательства  процессора. 

Совокупность программных  и аппаратных средств называется системой прерываний или контролером  прерываний. Основными  функциями  системных прерываний являются запоминание  состояния прерванной программы  и осуществление перехода к прерывающей  программе, а так же восстановление состояния прерванного программы  и возврат к ней.

Характеристики системы  прерываний.

1. Общее кол-во обрабатываемых запросов прерывания
2. Время реакции на прерывание, время между появление запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы.

Глубина прерывания- макс число программ, которые могут  прервать друг друга.  Если запрос оказывается  обслуживаемым к моменту прихода  другого запроса от того же источника  то возникает насыщение  системы  прерываний. Здесь главное чтобы  не был утрачен запрос от данного  источника. 

Вопрос 17. Подсистема ввода- вывода. 

Функционирование  любой ВС сводится к выполнению двух работ: обработки инф- ции и осуществление ее ввода- вывода.

Внешние уст-ва ввода-вывода можно разделить на три группы:

1. Уст-ва работающие с пользователем (монитор, клавиатура, мышь).
2. Уст-ва работающие с ЭВМ (дисковые уст-ва, датчики, контролеры).
3. Уст-ва коммуникации, используемые для связи с удаленными уст-ми (модем, адаптер).

Физич. принципы организации операций ввода-вывода.

УВВ обычно состоят  из электромеханических и электронных  частей. Каждый контролей уст-тв взаимодействует с драйвером уст-ва. Для работы с драйвером контролер имеет несколько регистров, буфер данных и т.д. Каждому управляющему регистру назначается номер порта ввода-вывода. Используя регистр ОС может узнавать о состоянии уст-ва, выполнить операции с ним и т.д.

Процессор, память и  УВВ связанны большим кол-вом  электрических соединений- линий, которые  называют локальной магистралью  ЭВМ.  Эти линии принято группировать в шины. В современной ЭВМ выделяют три типа шин: шину данных, служащая для передачи инф-ции между уст-ми; шину адреса, участвующая в обмене инф-ей;  шину управления, состоящей из линий управляющих магистралью и линий ее состояния.

Кол-во линий входящих в состав шины называется разрядностью- шириной шины. Ширина адресной шины- это максимальный размер ОП. Ширина шины данных- максимальный объем инф-и полученной или переданной по этой шине за один раз.

Основное  моменты функционирования системы вв/выв.

1. УВВ подключаются к системе через порты. Есть два адреса пространства: пространство памяти и пространство вв/выв, в которые могут отображаться порты.
2. Использование того или иного адресного пространства определяет тип команды или тип ее опереатора.
3. Физическое управление вв/выв через порты и выставление некоторых сигналов на магистраль занимается контролер уст-тв.

Контролеры  уст-тв. Обычно имеют 4 регистра: регистр состояния- биты состояния уст-ва, доступные только системе (бит занятости, готовности, ошибки); регистр управления- получает данные, необходимые системе для работы с уств-м. ; регистр входных данных- содержит инф-цию для вывода на устр-во. ; регистр выходных данных-содержит даны для чтения системы.

Способ взаимодействия процессора и контролера называется пуленгом. Технический механизм, позволяющий внешним устр-вам оповещать процессор о завершении команды вв/выв называется механизмом прерываний.  Для реализации данного механизма существует шины прерываний, соединяющие процессор и УВВ. Прерывания характеризуются: обнаруживаются процессором между выполнения команд; происходят асинхронно;  процессор при переходе сохраняет часть своего состояния перед выполнением программы.

Для ЭВМ операции ввода- вывода могут выполняться  тремя способами: 1) С помощью программируемого вв/выв. Когда процессору встречается команда, связанная с вв/выв он выполняет ее, послав следующую программу контролеру.  Он выполняет ее, затем устанавливает биты в регистрах состояния вв/выв и не посылает никаких сигналов. Процессор периодически проверяет состояние вв/выв с целью завершения операции. Таким образом процессор непосредственно управляет вв/выв, включая опознание состояния устр-ва, пересылку команд, передачу данных.  Недостаток данного подхода в потере процессорного времени.  2) Ввод-вывод управляемый прерываниями. Процессор посылает контролеру необходимые команды и продолжает выполнять текущий процесс. При таком методе все таки теряется процессорное время т.к. каждое слово передается из памяти в контролер или обратно, должно пройти через процессор. 3) DMA. Прямой доступ к памяти. Процессор и контролер DMA по очереди управляют основной магистралью. В этом случае спец. модуль прямого доступа управляет обменом данных между ОП и контролером вв/выв. Процессор посылает запрос на передачу блока данных контролеру, а прерывания происходит только после передачи всего блока данных.