itmo_conspects
Операционные системы
Основная идея курса - показать концепции, применяемые в операционных системах, и ответить, почему не существует идеальной операционной системы.
Пример - алгоритмы. Рассматривая асимптотики алгоритмов, мы допускаем, что наш алгоритм работает в идеальной среде. Однако в реальной жизни процесс с алгоритмом может быть остановлен, прерван операционной системой
Лекция 1. Ранние операционные системы
Операционная система - сложная композиция подсистем. Рассмотрим историю возникновения механизмов операционной системы.
Однако зачем нам операционная система и как мы пришли к ее возникновению?
Физик Джон фон Нейман, изучая численные методы решения уравнений на ЭВМ, пришел к такой архитектуре:
и сформулировал принципы его архитектуры:
-
Однородность памяти: и инструкции, и данные хранятся в одной ячейке памяти RAM (Random Access Memory)
-
Линейность памяти: байты расположены последовательно
-
Двоичное кодирование: и инструкции, и данные кодируются в двоичном виде
-
Программное управление: регистр IP (Instruction Pointer - указатель на текущую программу) определяет, какая команда выполнится следующей - никто внешне не управляет программой, поэтому говорят “поток команд”. Программа останавливается, когда наткнется на инструкцию “Останов” либо на инструкцию, выполнение которой невозможно
В этой архитектуре не было надобности в операционной системе. Позже выяснили, что в одной узле нужно больше одной программой (Software) и нужно больше аппаратных ресурсов (Hardware)
В архитектуре фон Неймана одной программе отдавались все процессорные ресурсы, однако сейчас это не так. Нужна оболочка, которая будет уметь эффективно и справедливо распределять ресурсы программам
Представим “супермаркет” фон Неймана: один однопоточный кассир и 3 покупателя - с большой тележкой, с маленькой корзинкой и несчастный студент с бутылкой воды. Время обслуживания их всех не зависит от перестановки покупателей. Однако нам, как хозяину магазина, выгодно, чтобы в очереди стояло как можно меньше людей
Поэтому мы нанимаем охранника, который будет перемещать студента с водичкой вперед. Тогда, если 1000 студентов с водичкой зайдут, то покупатель с большой тележкой никогда отсюда не выйдет - получается несправедливо
Распределение ресурсов вычислительным процессам имеет бекграунд из истории общества: если давать все ресурсы сильным, то слабые вымрут, разнообразие исчезнет. Если все раздавать одинаковое количество ресурсов, то конкуренция исчезнет. Поэтому зарождается понятие “государства”, которое задает правила и гарантирует их соблюдение. Операционная система, монополизируя власть и насилие, является абстракцией между пользователями и ПО+АО
Операционная система - это базовое системное программное обеспечение, управляющее работой вычислительного узла и реализующее универсальный интерфейс между аппаратным обеспечением, программным обеспечением и пользователем
Первым этапом развития были программы-диспетчеры.
Диспетчеры
В 40-50 годах ЭВМ были нужны преимущественно для вычислительной физики.
В ходе программирования выяснилось, что очень много кода пришлось дублировать. Появилась идея библиотек - подпрограмм, которые можно переиспользовать
Чтобы использовать эти подпрограммы, надо иметь в виду адрес вектора параметром, адрес на начало подпрограммы и указатель на инструкцию после вызова этой подпрограммы. Однако изменение подпрограммы вызовет много боли: приходится все подпрограммы ниже сдвигать, указатель на подпрограммы менять везде и т. д.
Тогда начало память займет код диспетчера, в табличке которого хранятся номера программ и указатели на начало подпрограмм. Теперь наш диспетчер занимается “автоматизацией загрузки и линковки”
В ходе развития программ появились потребности обработки массивов памяти, например, осветление картинки. Чтобы осветлить картинку, нужно изменить каждый пиксель на некоторое значение
Картинка слишком большая, поэтому приходится либо кусками вручную ее обрабатывать, либо постоянно выгружать/загружать. Поэтому процессор занят тем, что гоняет картику между ПЗУ и ОЗУ, а на саму обработку уходит очень мало процессорного времени
Поэтому делаем такую штуку, как контроллер. Контроллер работает с хранилищем и оперативкой параллельно с процессором, а работает он по команде процессора. Таким образом, мы получили “оптимизацию с устройствами ввода/вывода/хранения”
Однако мы не можем прогнозировать время его выполнения. Поэтому, чтобы дать знать процессору, что контроллер завершил свою работу, контроллер посылает сигнал “прерывание”
Прерывание - сигнал, поступающий в центральный процессор от внешнего устройства, прерывающий текущий поток команд и передающий управление обработчику этого прерывания
В тривиальном случае “прерываем” может быть поменянный битик в ОЗУ, который отслеживается процессором
Теперь рассмотрим “однопрограммную пакетную обработку”
Программы становятся совсем большими, их начали делить на модули, которые пишут разные люди. Их очень много, поэтому хранить их в оперативке нельзя. Поэтому можно часть модулей хранить на долговременной памяти и подгружать их по требованию - получаем динамическую библиотеку. Программа-диспетчер сама решает, какие модули и как часто подгружать
Потом появляется планировщик, который определяет, какие модули и как часто подгружать
Второй этап: Мультипрограммные операционные системы
Допустим, что на нашем узле есть две программы: обрабатывающая картинку и вычислительную задачу. Процессор в первой программе большую часть ждет, пока контроллер думает, поэтому мы можем заставить его работать на вторую программу.
Появляется проблема: как управлять ресурсами процессора? Вследствие этого диспетчер начинает обрастать дополнительным функционалом