"mjb".
Процессы могут переназначать одновременно и ввод, и вывод, как, например,
в
командной строке:
nroff -mm < doc1 > doc1.out 2> errors
где программа форматирования nroff читает вводной файл doc1, в качестве фай-
ла стандартного вывода задает файл doc1.out и выводит сообщения об ошибках
файл errors ("2>" означает переназначение вывода, предназначавшегося
для файла с дескриптором 2, который соответствует стандартному файлу
ошибок).Програм-мы ls, mail и nroff не знают, какие файлы выбраны в
качестве файлов стандартного ввода, стандартного вывода и записи
сообщений об ошибках; командный процессор shell сам распознает символы "" и "2>" и назначает в соответствии с их указанием файлы для стандартного
ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках непосредственно
перед запуском процессов.
Вторым конструкционным элементом является канал, механизм, обеспечиваю-
щий информационный обмен между процессами, выполнение которых связано с
операциями чтения и записи. Процессы могут переназначать выводной
поток со
стандартного вывода на канал для чтения с него другими процессами, переназ-
начившими на канал свой стандартный ввод. Данные, посылаемые в канал
первыми
процессами, являются входными для вторых процессов. Вторые процессы так
же
могут переназначить свой выводной поток и так далее, в зависимости от
пожеланий программиста. И снова, так же как и в вышеуказанном случае,
процессам нет необходимости знать, какого типа файл используется в
качестве файла
стандартного вывода; их выполнение не зависит от того, будет ли файлом стан-
дартного вывода обычный файл, канал или устройство. В процессе
построения
больших и сложных программ из конструкционных элементов меньшего
размера
программисты часто используют каналы и переназначение ввода-вывода при
сборке и соединении отдельных частей. И действительно, такой стиль
программирования находит поддержку в системе, благодаря чему новые
программы могут работать вместе с существующими программами.
Например, программа grep производит поиск контекста в наборе файлов (яв-
ляющихся параметрами программы) по следующему образцу:
grep main a.c b.c c.c
где "main" - подстрока, поиск которой производится в файлах a.c, b.c и c.c
с
выдачей в файл стандартного вывода тех строк, в которых она содержится. Со-
держимое выводного файла может быть следующим:
a.c: main(argc,argv)
c.c: /* here is the main loop in the program */
c.c: main()
Программа wc с необязательным параметром -l подсчитывает число строк в
файле
стандартного ввода. Командная строка
grep main a.c b.c c.c | wc -l
вызовет подсчет числа строк в указанных файлах, где будет обнаружена подст-
рока "main"; выводной поток команды grep поступит непосредственно на
вход
команды wc. Для предыдущего примера результат будет такой: 3
Использование каналов зачастую делает ненужным создание временных
файлов.
4. ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
На Рисунке 1.1 уровень ядра операционной системы изображен
непосредственно под уровнем прикладных программ пользователя. Выполняя
различные элементар-ные операции по запросам пользовательских процессов,
ядро обеспечивает
функционирование пользовательского интерфейса, описанного выше. Среди функ-
ций ядра можно отметить:
. Управление выполнением процессов посредством их создания, завершения
или приостановки и организации взаимодействия между ними.
. Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени
центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с
центральным процессором в режиме разделения времени: центральный процес-
сор выполняет процесс, по завершении отсчитываемого ядром кванта времени
процесс приостанавливается и ядро активизирует выполнение другого
процесса. Позднее ядро запускает приостановленный процесс.
. Выделение выполняемому процессу оперативной памяти. Ядро операционной
системы дает процессам возможность совместно использовать участки
адресного пространства на определенных условиях, защищая при этом
адресное пространство, выделенное процессу, от вмешательства извне. Если
системе требуется свободная память, ядро освобождает память, временно
выгружая процесс на внешние запоминающие устройства, которые называют
устройствами выгрузки. Если ядро выгружает процессы на устройства
выгрузки целиком, такая реализация системы UNIX называется системой со
свопингом (подкачкой); если же на устройство выгрузки выводятся страницы
памяти, такая система называется системой с замещением страниц.
. Выделение внешней памяти с целью обеспечения эффективного хранения
информации и выборка данных пользователя. Именно в процессе
реализации этой функции создается файловая система. Ядро выделяет внешнюю
память под пользовательские файлы, мобилизует неиспользуемую память,
структурирует файловую систему в форме, доступной для понимания, и
защищает пользовательские файлы от несанкционированного доступа.
. Управление доступом процессов к периферийным устройствам, таким как терми-
налы, ленточные устройства, дисководы и сетевое оборудование.
Выполнение ядром своих функций довольно очевидно. Например, оно
узнает,
что данный файл является обычным файлом или устройством, но скрывает
это
различие от пользовательских процессов. Так же оно, форматируя
информацию
файла для внутреннего хранения, защищает внутренний формат от пользователь-
ских процессов, возвращая им неотформатированный поток байтов. Наконец,
ядро
реализует ряд необходимых функций по обеспечению выполнения процессов поль-
зовательского уровня, за исключением функций, которые могут быть
реализованы
на самом пользовательском уровне. Например, ядро выполняет действия, необхо-
димые shell'у как интерпретатору команд: оно позволяет процессору shell
читать вводимые с терминала данные, динамически порождать процессы,
синхронизиро-вать выполнение процессов, открывать каналы и переадресовывать
ввод-вывод. Пользователи могут разрабатывать свои версии командного
процессора shell с тем, чтобы привести рабочую среду в соответствие со
своими требованиями, не затрагивая других пользователей. Такие программы
пользуются теми же услугами ядра, что и стандартный процессор shell.
5. ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ АППАРАТНАЯ СРЕДА
Выполнение пользовательских процессов в системе UNIX осуществляется
на
двух уровнях: уровне пользователя и уровне ядра. Когда процесс
производит
обращение к операционной системе, режим выполнения процесса переключается
режима задачи (пользовательского) на режим ядра: операционная система
пытается обслужить запрос пользователя, возвращая код ошибки в случае
неудачного
завершения операции. Даже если пользователь не нуждается в каких-либо
определенных услугах операционной системы и не обращается к ней с
запросами,
система еще выполняет учетные операции, связанные с пользовательским процес-
сом, обрабатывает прерывания, планирует процессы, управляет
распределением
памяти и т.д. Большинство вычислительных систем разнообразной архитектуры
(и
соответствующие им операционные системы) поддерживают большее число
уровней, чем указано здесь, однако уже двух режимов, режима задачи и
режима ядра, вполне достаточно для системы UNIX.
Основные различия между этими двумя режимами:
. В режиме задачи процессы имеют доступ только к своим собственным инструк-
циям и данным, но не к инструкциям и данным ядра (либо других
процессов). Однако в режиме ядра процессам уже доступны адресные
пространства ядра и пользователей. Например, виртуальное адресное
пространство процесса может быть поделено на адреса, доступные только в
режиме ядра, и на адреса, доступные в любом режиме.
Некоторые машинные команды являются привилегированными и вызывают
возникновение ошибок при попытке их использования в режиме задачи.
Например, в машинном языке может быть команда, управляющая регистром
состояния
процессора; процессам, выполняющимся в режиме задачи, она недоступна.
Процессы
A B C
D
|Режим ядра |Я | | |Я |
|Режим задачи | |З |З | |
Рисунок 1.5. Процессы и режимы их выполнения
Проще говоря, любое взаимодействие с аппаратурой описывается в терминах
режима ядра и режима задачи и протекает одинаково для всех
пользовательских
программ, выполняющихся в этих режимах. Операционная система хранит
внутренние записи о каждом процессе, выполняющемся в системе. На Рисунке
1.5 показано это разделение: ядро делит процессы A, B, C и D,
расположенные вдоль
горизонтальной оси, аппаратные средства вводят различия между режимами вы-
полнения, расположенными по вертикали.
Несмотря на то, что система функционирует в одном из двух режимов,
действует от имени пользовательского процесса. Ядро не является какой-
то
особой совокупностью процессов, выполняющихся параллельно с пользовательски-
ми, оно само выступает составной частью любого пользовательского
процесса.
Сделанный вывод будет скорее относиться к "ядру", распределяющему
ресурсы,
или к "ядру", производящему различные операции, и это будет означать,
что
процесс, выполняемый в режиме ядра, распределяет ресурсы и производит соот-
ветствующие операции. Например, командный процессор shell считывает
вводной
поток с терминала с помощью запроса к операционной системе. Ядро операцион-
ной системы, выступая от имени процессора shell, управляет
функционированием
терминала и передает вводимые символы процессору shell. Shell переходит
режим задачи, анализирует поток символов, введенных пользователем и
выполняет заданную последовательность действий, которые могут потребовать
выполнения и других системных операций.
5.1 Прерывания и особые ситуации
Система UNIX позволяет таким устройства, как внешние устройства
ввода-вывода и системные часы, асинхронно прерывать работу центрального
процес-
сора. По получении сигнала прерывания ядро операционной системы
сохраняет
свой текущий контекст (застывший образ выполняемого процесса),
устанавливает
причину прерывания и обрабатывает прерывание. После того, как прерывание бу-
дет обработано ядром, прерванный контекст восстановится и работа
продолжится
так, как будто ничего не случилось. Устройствам обычно приписываются приори-
теты в соответствии с очередностью обработки прерываний. В процессе
обработки прерываний ядро учитывает их приоритеты и блокирует обслуживание
прерывания с низким приоритетом на время обработки прерывания с более
высоким приорите-том.
Особые ситуации связаны с возникновением незапланированных событий, выз-
ванных процессом, таких как недопустимая адресация, задание привилегирован-
ных команд, деление на ноль и т.д. Они отличаются от прерываний, которые вы-
зываются событиями, внешними по отношению к процессу. Особые ситуации
возникают прямо "посредине" выполнения команды, и система, обработав особую
ситуацию, пытается перезапустить команду; считается, что прерывания
возникают
между выполнением двух команд, при этом система после обработки
прерывания
продолжает выполнение процесса уже начиная со следующей команды. Для обра-
ботки прерываний и особых ситуаций в системе UNIX используется один и тот
механизм.
5.2 Уровни прерывания процессора
Ядро иногда обязано предупреждать возникновение прерываний во время кри-
тических действий, могущих в случае прерывания запортить информацию. Напри-
мер, во время обработки списка с указателями возникновение прерывания
от
диска для ядра нежелательно, т.к. при обработке прерывания можно
запортить
указатели, что можно увидеть на примере в следующей главе. Обычно
имеется
ряд привилегированных команд, устанавливающих уровень прерывания
процессора
в слове состояния процессора. Установка уровня прерывания на
определенное
значение отсекает прерывания этого и более низких уровней, разрешая
обработку только прерываний с более высоким приоритетом. На Рисунке 1.6
показана
последовательность уровней прерывания. Если ядро игнорирует прерывания
диска, в этом случае игнорируются и все остальные прерывания, кроме
прерываний от часов и машинных сбоев.
[pic]
Рисунок 1.6. Стандартные уровни прерываний
5.3 Распределение памяти
Ядро постоянно располагается в оперативной памяти, наряду с
выполняющимся в данный момент процессом (или частью его, по меньшей мере).
В процессе
компиляции программа-компилятор генерирует последовательность адресов, явля-
ющихся адресами переменных и информационных структур, а также адресами инст-
рукций и функций. Компилятор генерирует адреса для виртуальной машины
так,
словно на физической машине не будет выполняться параллельно с
транслируемой
ни одна другая программа.
Когда программа запускается на выполнение, ядро выделяет для нее место
оперативной памяти, при этом совпадение виртуальных адресов,
сгенерированных
компилятором, с физическими адресами совсем необязательно. Ядро, взаимодейс-
твуя с аппаратными средствами, транслирует виртуальные адреса в
физические,
т.е. отображает адреса, сгенерированные компилятором, в физические,
машинные
адреса. Такое отображение опирается на возможности аппаратных средств,
поэтому компоненты системы UNIX, занимающиеся им, являются машинно-
зависимыми.
Например, отдельные вычислительные машины имеют специальное оборудование
для подкачки выгруженных страниц памяти.
6. ВЫВОДЫ
В работе были описаны полная структура системы UNIX, взаимоотношения
между процессами, выполняющимися в режиме задачи и в режиме ядра, а также
аппаратная среда функционирования ядра операционной системы. Процессы
выполняются в режиме задачи или в режиме ядра, в котором они пользуются
услугами системы благодаря наличию набора обращений к операционной
системе. Архитектура системы поддерживает такой стиль программирования, при
котором из небольших программ, выполняющих только отдельные функции, но
хорошо, составляются более сложные программы, использующие механизм каналов
и переназначение ввода-вывода.
Обращения к операционной системе позволяют процессам производить
операции, которые иначе не выполняются. В дополнение к обработке подобных
обращений ядро операционной системы осуществляет общие учетные операции,
управляет планированием процессов, распределением памяти и защитой
процессов в оперативной памяти, обслуживает прерывания, управляет
файлами и устройствами и обрабатывает особые ситуации, возникающие в
системе. В функции ядра системы UNIX намеренно не включены многие функции,
являющиеся частью других операционных систем, поскольку набор обращений к
системе позволяет процессам выполнять все необходимые операции на
пользовательском уровне.
ЛИТЕРАТУРА
1. THE DESIGN OF THE UNIX OPERATING SYSTEM by Maurice J. Bach («Морис Дж.
Бах. Архитектура операционной системы Unix»Перевод с английского к.т.н.
Крюкова А.В.) Copyright c 1986 Корпорация Bell Telephone Laboratories.
Издано корпорацией Prentice-Hall. Отделение Simon & Schuster Энглвуд
Клиффс, Нью-Джерси 07632
2. Кристиан К. Операционная система UNIX. - М., Финансы и статистика,
1985, 320 стр.
3. Баурн С. Операционная система UNIX. - М., Мир, 1986, 464 стр.
4. Aho A.V., Kernighan B.W., Weinberger P.J. Awk - A Pattern Scanning and
Text Processing Language (2d Edition). - Bell Labs, Murray Hill, N.J.
5. Feldman S.I. Make - a program for maintaining computer programs. - Bell
Labs, Murray Hill, N.J. (а также в журнале Software - Practice and
Experience, vol.9).
(() Организации, получившие права на перепродажу с надбавкой к цене за
дополнительные услуги, оснащают вычислительную систему прикладными
программами, касающимися конкретных областей применения, стремясь
удовлетворить требования рынка. Такие организации чаще продают
прикладные программы, нежели операционные системы, под управлением
которых эти программы работают.
((( ) А что же версия IV ? Модификация внутреннего варианта системы
получила название "версия V".
(((() В некоторых реализациях системы UNIX операционная система
взаимодействует с обствен-ной операционной системой, которая, в свою
очередь, взаимодействует с аппаратурой и выполняет необходимые функции по
обслуживанию системы. В таких реализациях допускается инсталляция других
операционных систем с загрузкой под их управлением прикладных программ
параллельно с системой UNIX. Классическим примером подобной реализации
явилась система MERT [Lycklama 78a]. Более новым примером могут служить
реализации для компьютеров серии IBM 370 [Felton 84] и UNIVAC 100
[Bodenstab 84].
((((()Каталог "/bin" содержит большинство необходимых команд и обычно
входит в число каталогов, в которых ведет поиск командный процессор
shell.
Страницы: 1, 2, 3
