Учебный курс Операционные среды, системы и оболочки Лекция 11 Лекции читает доктор технических наук, профессор Назаров Станислав Викторович

Операционные системы 2 Запрос состояния контроллера ввода-вывода Проверка состояния Не готов Готов Ошибка Запуск контроллера. Перенос данных в буфер. Сигнал в DMA. Запрос от DMA на перенос данных. Запись слова в память контроллером. Сигнал в DMA. Все выполнено ? Системный вызов для выполнения операции ввода-вывода. Вызов драйвера. Программирование DMA Нет Да Прерывание Выполнение других действий 3. Прямой доступ к памяти. Модуль прямого доступа к памяти управляет обменом данных между основной памятью и контроллером ввода-вывода. Процессор посылает запрос на передачу блока данных модулю прямого доступа к памяти, а прерывание происходит только после передачи всего блока данных. DMA увеличивает адрес памяти и уменьшает счетчик байтов

Операционные системы 3 1 Адрес Счетчик Управляющий регистр Центральный процессор Прерывание после выполнения 1 1 Центральный процессор программирует DMA 1 3 DMA запрашивает перенос данных 5 45 Подтверждение Буфер Диск DMA Перенос данных Оперативная память Контроллер Шина Работа DMA-контроллера 2

Операционные системы 4 Цикл процессор а Ц и к л к о м а н д ы Выборка команды Декодиро- вание команды Выборка операнда Выполнение команды Сохранение результата Прерывание процесса Точка прерывания Точки прерывания DMA Цикл процессора

Операционные системы Согласование скоростей обмена и кэширование данных Пользовательский процесс Операционная система Ввод Устройства ввода Без буферизации Одинарная буферизация Двойная буферизация Циклическая буферизация Перемещение T CM

Операционные системы 6 Время обработки блока данных Без буферизации T + C Одинарная буферизация max {T, C} + M в большинстве случаев T + C > max {T, C} Двойная буферизация max {T, C} если C <= T, то блочно-ориентированное устройство может работать с максимальной скоростью; если C > T, то процесс избавляется от необходимости ожидания завершения ввода-вывода. Циклическая буферизация используется при высокой частоте ввода-вывода. Буферизация данных позволяет сократить количество реальных операций ввода за счет кэширования данных.

Операционные системы Разделение устройств и данных между процессами Обеспечение логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы Поддержка широкого спектра драйверов Операционная система Драйвер Контроллер Внешнее устройство Интерфейс драйвер – устройство (Driver Device Interface, DDI) Интерфейс драйвер – ядро (Driver Kernel Interface, DKI) Аппаратный низкоуровневый интерфейс контроллер - устройство

Операционные системы 8 Функции драйвера 1. Обработка запросов записи-чтения от программного обеспечения управления устройствами. Постановка запросов в очередь 2. Проверка входных параметров запросов и обработка ошибок 3. Инициализация устройства и проверка статуса устройства 4. Управление энергопотреблением устройства. 5. Регистрация событий в устройстве 6. Выдача команд устройству и ожидание их выполнения возможно в блокированном состоянии до поступления прерывания от устройства 7. Проверка правильности завершения операции 8. Передача запрошенных данных и статуса завершенной операции 9. Обработка нового запроса при незавершенном предыдущем запросе (для реентерабельных драйверов)

Операционные системы Динамическая выгрузка и загрузка драйверов Поддержка нескольких файловых систем Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода- вывода P3 Контроллер Операция ввода- вывода ПроцессорP2 P1P2P3P2P1 Завершение операции ввода-вывода Контроллер Операция ввода- вывода Процессор P1P2P3P2P1 Синхронизация (событие, Мьютекс) P1 P2 P3 P1

Операционные системы Многослойная модель подсистемы ввода-вывода Системные вызовы Диспетчер прерываний, функции доступа к аппаратуре Байт-ориентированный интерфейс VFS Блок-ориентированный интерфейс UFSNTFSFAT Дисковый кэш Драйвер HDДрайвер FD Контроллеры устройств ввода- вывода Диски Графические устройства Дисковые устройства Сетевые устройства Низкоуровневые графические драйверы Диспетчер окон Высокоуровневые графические драйверы HTTPFTPSMB TCP/UDPSPX IP IPX NetBEUI Ethernet FRATM Межмодульный обмен, связывание, буферизация, синхронизация, к другим подсистемам

Операционные системы 11

Операционные системы Файловая система Основные понятия. Цели и задачи файловой системы Причины создания файловых систем: 1. Необходимость длительного (иногда вечного) и надежного хранения больших объемов информации. 2. Обеспечение возможности совместного использования информации различными приложениями. Эффективное разделение, защита и восстановление данных. Решение этих проблем заключается в хранении информации в файлах. Файл – это поименованная совокупность данных, хранящаяся на каком- либо носителе информации. При рассмотрении файлов используются следующие понятия: 1. Поле (field) – основной элемент данных. 2. Запись (record) – набор связанных полей, которые могут обрабатываться как единое целое. 3. Файл (file) – совокупность однородных записей. 4. База данных (database) – набор связанных данных, представленных совокупностью файлов

Операционные системы 13 Файловая система – это часть операционной системы, включающая : совокупность всех файлов на различных носителях информации (магнитные диски, магнитные ленты, CD- ROM и т. п.); наборы структур данных, используемых для управления файлами (каталоги и дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства носителей информации); комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами (создание, чтение, запись, уничтожение, изменение свойств и др.).

Операционные системы 14 Задачи файловой системы соответствие требованиям управления данными и требованиям со стороны пользователей, включающим возможности хранения данных и выполнения операций с ними; гарантирование корректности данных, содержащихся в файле; оптимизация производительности, как с точки зрения системы (пропускная способность), так и с точки зрения пользователя (время отклика); поддержка ввода-вывода для различных типов устройств хранения информации; минимизация или полное исключение возможных потерь или повреждений данных; защита файлов от несанкционированного доступа; обеспечение поддержки совместного использования файлов несколькими пользователями (в том числе средства блокировки файла и его частей, исключение тупиков, согласование копий и т. п.); обеспечение стандартного набора подпрограмм интерфейса ввода-вывода.

Операционные системы 15 Требования к файловой системе со стороны пользователя диалоговой системы общего назначения 1. Создание, удаление, чтение и изменения файлов. 2. Контролируемый доступ к файлам других пользователей. 3. Управление доступом к своим файлам. 4. Реструктурирование файлов в соответствии с решаемой задачей. 5. Перемещение данных между файлами. 6. Резервирование и восстановление файлов в случае повреждения. 7. Доступ к файлам по символическим именам.

Операционные системы Архитектура файловой системы Смешанный файл Последова - тельный Индексно- последовать- ный Индексиро- ванный Прямого доступа Пользовательская программа Логический ввод - вывод Диспетчер (супервизор) базового ввода - вывода Базовая файловая система (уровень физического ввода-вывода) Д Р А Й В Е Р Ы Методы доступа Доступ к записям Выбор устройства, планирование распределения внешней памяти Буферизация, обмен блоками Инициализация, выполнение и завершение операции

Операционные системы Организация файлов и доступ к ним Типы, именование и атрибуты файлов Обычные файлы – содержат информацию, занесенную пользователем, системной или прикладной программой. Каталоги – системные файлы, поддерживающие структуру файловой системы. Специальные файлы – фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода и используемые для унификации доступа к последоватьльным устройствам ввода-вывода. Именованные конвейеры (каналы) – циклические буферы, позволяющие выходной файл одной программы соединить со входным файлом другой программы. Отображаемые файлы – обычные файлы, отображаемые на адресное пространство процесса по указанному виртуальному адресу. Правила именования файлов зависят от операционной системы, например в MS DOS - правило 8. 3

Операционные системы 18 Атрибут Значение Тип файла Обычный, каталог, специальный и т. д. Владелец файла Текущий владелец Создатель файла Идентификатор пользователя, создавшего файл Пароль Пароль для получения доступа к файлу Время Создания, последнего доступа, последнего изменения Текущий размер файла Количество байтов в записи Максимальный размер Количество байтов, до которого можно увеличивать размер файла Флаг «только чтение» 0 – чтение-запись, 1 – только чтение Флаг «скрытый» 0 – нормальный, 1 – не показывать в перечне файлов каталога Флаг «системный» 0 – нормальный, 1 – системный Флаг «архивный» 0 – заархивирован, 1- требуется архивация Флаг ASCII/двоичный 0 – ASCII, 1 – двоичный Флаг произвольного доступа 0 – только последоватьльный доступ, 1 – произвольный доступ Флаг «временный» 0 – нормальный, 1 – удаление после окончания работы процесса Позиция ключа Смещение до ключа в записи Длина ключа Количество байтов в поле ключа

Операционные системы Логическая организация файлов Модель 1. Неструктурированная последоватьльность байт (ОС UNIX). Модель 2. Структурированный файл : смешанный, последоватьльный, индексно-последоватьльный, индексированный, прямого доступа. Смешанный файл Поле 1Поле 2Поле 3 Поле 1 Поле 2 Поле 3 Последовательный файл Поле 1 Поле 2 Поле 3 Достоинства: рациональное использование дискового пространства, хорошо подходят для полного перебора Недостатки: сложность встав- ки и обновления записей Достоинства: оптимальный вариант для пакетных приложений, записи хранятся в ключевой последоватьльности, возможно хранение на диске и МЛ. Возможна организация в виде списка, что упрощает вставку новых записей. Каждое поле описывает само себя (имя, длина, значение). Доступ – полный перебор. Записи имеют одну длину, одни и те же поля и хранят только значения полей (одно поле – ключевое). Атрибуты файловой структуры: имя и длина каждого поля. Недостатки: малоэффективен для диалоговых приложений