Концепции построения unix

КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ UNIX

1. 
   Процессы в UNIX
   
2. 
   Файловые системы
   
3. 
   Управление памятью
   
4. 
   Подсистема ввода-вывода
   

Самостоятельная работа

1.Лабораторная работа 8: Ознакомление с операционной системой Linux
2.Ознакомиться с  Глоссарием.

1 Процессы в UNIX

Управление процессами

Образ, дескриптор, контекст процесса

• 
  дескриптор процесса (структура proc)
  
• 
  контекст процесса (структура user).
  

Контекст процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления выполнения процесса с прерванного места: содержимое регистров процессора, коды ошибок выполняемых процессором системных вызовов, информацию о всех открытых данным процессом файлов и незавершенных операциях ввода-вывода (указатели на структуры file) и другие данные, характеризующие состояние вычислительной среды в момент прерывания. Контекст, так же как и дескриптор процесса, доступен только программам ядра, то есть находится в виртуальном адресном пространстве операционной системы, однако он хранится не в области ядра, а непосредственно примыкает к образу процесса и перемещается вместе с ним, если это необходимо, из оперативной памяти на диск. В UNIX для процессов предусмотрены два режима выполнения: привилегированный режим - "система" и обычный режим - "пользователь". В режиме "пользователь" запрещено выполнение действий, связанных с управлением ресурсами системы, в частности, корректировка системных таблиц, управление внешними устройствами, маскирование прерываний, обработка прерываний. В режиме "система" выполняются программы ядра, а в режиме "пользователь" - оболочка и прикладные программы. При необходимости выполнить привилегированные действия пользовательский процесс обращается с запросом к ядру в форме так называемого системного вызова. В результате системного вызова управление передается соответствующей программе ядра. С момента начала выполнения системного вызова процесс считается системным. Таким образом, один и тот же процесс может находиться в пользовательской и системной фазах. Эти фазы никогда не выполняются одновременно.

Процесс можно вытеснить и в системной фазе, но не в произвольный момент времени, а только в определенные периоды его работы, когда процесс сам разрешает это сделать установкой специального сигнала.

Управление процессами осуществляется с помощью команд:

• 
  ps -(aefd) - контроль состояния процессов
  
• 
  kill - n - персылка сигнала управления. ( i: 1-отбой, 2- прерывание, 3-выход, 9-уничтожение,15- программное завершение)
  
• 
  nice m n - понижение приоритета (m=0-39) или -19,+19
  

Порождение процессов

Идентификатор сына может быть присвоен переменной, входящей в контекст процесса-отца. Так как контекст процесса наследуется его потомками, то дети могут узнать идентификаторы своих старших братьев, так образом сумма знаний наследуется при порождении и может быть распространена между родственными процессами. Наследуются все характеристики процесса, содержащиеся в контексте.

ps -(aefd) - контроль состояния ( пример из лаб)

Планирование процессов

• 
  класс реального времени;
  
• 
  класс системных процессов;
  
• 
  класс процессов разделения времени.
  

Процессы системного класса используют стратегию фиксированных приоритетов. Системный класс зарезервирован для процессов ядра. Уровень приоритета процессу назначается ядром и никогда не изменяется. Заметим, что пользовательский процесс, перешедший в системную фазу, не переходит при этом в системный класс приоритетов.

Процессы реального времени также используют стратегию фиксированных приоритетов, но пользователь может их изменять. Но процессы реального времени надо тщательно проектировать, чтобы они не захватывали процессор на слишком долгое время. Характеристики планирования процессов реального времени включают две величины:

• 
  уровень глобального приоритета
  
• 
  и квант времени.
  

Таблица 1. -Классы приоритетов

• 
  пользовательской части;
  
• 
  системной части.
  

3. Вводится команда who. На экране появится следующая информация:

¦# who

¦petrov tty00 Oct 12 8:53

¦acct123 tty05 Oct 12 8:54

¦jmrs tty06 Oct 12 8:56

¦#

Команда who сообщает входные имена всех, кто в настоящее время работает в Вашей системе. Обозначения tty относятся к специальным файлам, которые связаны с терминалами каждого пользователя.Также показаны дата и время входа каждого пользователя в систему.

2 Файловые системы UNIX

Традиционная файловая система s5 или  Linux ext

Файловая система UNIX s5 поддерживает логическую организацию файла в виде последовательности байтов. По функциональному назначению различаются:

• 
  обычные файлы,
  
• 
  каталоги
  
• 
    специальные файлы.
  

Расположение файловой системы s5 на диске показано на рисунке 5.5. Все дисковое пространство, отведенное под файловую систему, делится на четыре области:

• 
  загрузочный блок (boot), в котором хранится загрузчик операционной системы;
  
• 
  суперблок (superblock) - содержит самую общую информацию о файловой системе: размер файловой системы, размер области индексных дескрипторов, число индексных дескрипторов, список свободных блоков и список свободных индексных дескрипторов, а также другую административную информацию;
  
• 
  область индексных дескрипторов, порядок расположения индексных дескрипторов в которой соответствует их номерам;
  
• 
  область данных, в которой расположены как обычные файлы, так и файлы-каталоги. Специальные файлы представлены в файловой системе только записями в соответствующих каталогах и индексными дескрипторами специального формата, но места в области данных не занимают.
  

Доступ к файлу осуществляется путем последовательного просмотра всей цепочки каталогов, входящих в полное имя файла, и соответствующих им индексных дескрипторов. Поиск завершается после получения всех характеристик из индексного дескриптора заданного файла. Эта процедура требует в общем случае нескольких обращений к диску, пропорционально числу составляющих в полном имени файла. Для уменьшения среднего времени доступа к файлу его дескриптор копируется в специальную системную область памяти. Копирование индексного дескриптора входит в процедуру открытия файла.

Виртуальная файловая система VFS

VFS не ориентируется на какую-либо конкретную файловую систему, механизмы реализации файловой системы полностью скрыты как от пользователя, так и от приложений. В ОС нет системных вызовов, предназначенных для работы со специфическими типами файловой системы, а имеются абстрактные вызовы типа open, read, write и другие, которые имеют содержательное описание, обобщающее некоторым образом содержание этих операций в наиболее популярных типах файловых систем (например, s5, ufs, nfs и т.п.). VFS также предоставляет ядру возможность оперирования файловой системой, как с единым целым: операции монтирования и демонтирования, а также операции получения общих характеристик конкретной файловой системы (размера блока, количества свободных и занятых блоков и т.п.) в единой форме. Если конкретный тип файловой системы не поддерживает какую-то абстрактную операцию VFS, то файловая система должна вернуть ядру код возврата, извещающий об этом факте.

В VFS вся информация о файлах разделена на две части - не зависящую от типа файловой системы, которая хранится в специальной структуре ядра - структуре vnode, и зависящую от типа файловой системы - структура inode, формат которой на уровне VFS не определен, а используется только ссылка на нее в структуре vnode. Имя inode не означает, что эта структура совпадает со структурой индексного дескриптора inode файловой системы s5. Это имя используется для обозначения зависящей от типа файловой системы информации о файле, как дань традиции.

Виртуальная файловая система VFS поддерживает следующие типы файлов:

• 
  обычные файлы,
  
• 
  каталоги,
  
• 
  специальные файлы,
  
• 
  именованные конвейеры,
  
• 
  символьные связи.
  

Версия UNIX System V Release 4 вводит новый тип связи - мягкая связь, называемая символьной связью и реализуемая с помощью системного вызова symlink. Символьная связь - это файл данных, содержащий имя файла, с которым предполагается установить связь. Слово "предполагается" использовано потому, что символьная связь может быть создана даже с несуществующим файлом. При создании символьной связи образуется как новый вход в каталоге, так и новый индексный дескриптор inode. Кроме этого, резервируется отдельный блок данных для хранения полного имени файла, на который он ссылается. Многие системные вызовы пользуются файлом символьных связей для поиска реального файла. Связанные файлы не обязательно располагаются в той же файловой системе.

Конвейер - это средство обмена данными между процессами. Конвейер буферизует данные, поступающие на его вход, таким образом, что процесс, читающий данные на его выходе, получает их в порядке "первый пришел - первый вышел" (FIFO). В ранних версиях UNIX для обмена данными между процессами использовались неименованные конвейеры - pipes, которые представляли собой очереди байт в оперативной памяти. Однако, из-за отсутствия имен, такие конвейеры могли использоваться только для передачи данных между родственными процессами, получившими указатель на конвейер в результате копирования сегмента данных из адресного пространства процесса-прародителя. Именованные конвейеры позволяют обмениваться данными произвольной паре процессов, т.к. каждому такому конвейеру соответствует файл на диске. Никакие данные не связываются с файлом-конвейером, но все равно в каталоге содержится запись о нем, и он имеет индексный дескриптор. В UNIX System V Release 4 конвейеры реализуются с использованием коммуникационных модулей STREAMS.

Сетевая файловая система NFS

Основная идея NFS - позволить произвольному набору пользователей разделять общую файловую систему. Чаще всего все пользователи принадлежат одной локальной сети, но не обязательно. Можно выполнять NFS и на глобальной сети. Каждый NFS-сервер предоставляет один или более своих каталогов для доступа удаленным клиентам. Каталог объявляется доступным со всеми своими подкаталогами. Список каталогов, которые сервер передает, содержится в файле /etc/exports, так что эти каталоги экспортируются сразу автоматически при загрузке сервера. Клиенты получают доступ к экспортируемым каталогам путем монтирования. Многие рабочие станции Sun - бездисковые, но и в этом случае можно монтировать удаленную файловую систему на корневой каталог, при этом вся файловая система целиком располагается на сервере. При выполнении программ почти нет различий, расположен ли файл локально или на удаленном диске. Если два или более клиента одновременно смонтировали один и тот же каталог, то они могут связываться путем разделения файла.

Так как одной из целей NFS является поддержка неоднородных систем с клиентами и серверами, выполняющими различные ОС на различной аппаратуре, то особенно важно, чтобы был хорошо определен интерфейс между клиентами и серверами. Только в этом случае станет возможным написание программного обеспечения клиентской части для новых операционных систем рабочих станций, которое будет правильно работать с существующими серверами. Это цель достигается двумя протоколами.

Первый NFS-протокол управляет монтированием. Клиент может послать полное имя каталога серверу и запросить разрешение на монтирование этого каталога на какое-либо место собственного дерева каталогов. При этом серверу не указывается, в какое место будет монтироваться каталог сервера, так как ему это безразлично. Получив имя, сервер проверяет законность этого запроса и возвращает клиенту описатель файла, содержащий тип файловой системы, диск, номер дескриптора (inode) каталога, информацию безопасности. Операции чтения и записи файлов из монтируемых файловых систем используют этот описатель файла. Монтирование может выполняться автоматически с помощью командных файлов при загрузке. Существует другой вариант автоматического монтирования: при загрузке ОС на рабочей станции удаленная файловая система не монтируется, но при первом открытии удаленного файла ОС посылает запросы каждому серверу, и, после обнаружения этого файла, монтирует каталог того сервера, на котором этот файл расположен.

Второй NFS-протокол используется для доступа к удаленным файлам и каталогам. Клиенты могут послать запрос серверу для выполнения какого-либо действия над каталогом или операции чтения или записи файла. Кроме того, они могут запросить атрибуты файла, такие как тип, размер, время создания и модификации. Большая часть системных вызовов UNIX поддерживается NFS, за исключением open и close. Исключение open и close не случайно. Вместо операции открытия удаленного файла клиент посылает серверу сообщение, содержащее имя файла, с запросом отыскать его (lookup) и вернуть описатель файла. В отличие от вызова open, вызов lookup не копирует никакую информацию во внутренние системные таблицы сервера. Вызов read содержит описатель того файла, который нужно читать, смещение в уже читаемом файле и количество байтов, которые нужно прочитать. Преимуществом такой схемы является то, что сервер не должен запоминать ничего об открытых файлах. Таким образом, если сервер откажет, а затем будет восстановлен, информация об открытых файлах не потеряется, потому что ее нет. Серверы, подобные этому, не хранящие постоянную информацию об открытых файлах, называются stateless.

К сожалению метод NFS затрудняет блокировку файлов. В UNIX файл может быть открыт и заблокирован так, что другие процессы не имеют к нему доступа. Когда файл закрывается, блокировка снимается. В stateless-системах, подобных NFS, блокирование не может быть связано с открытием файла, так как сервер не знает, какой файл открыт. Следовательно, NFS требует специальных дополнительных средств управления блокированием.

Реализация кодов клиента и сервера в NFS имеет многоуровневую структуру (рисунок 5.10).

Рис. 5.10. Многоуровневая структура NFS

Верхний уровень клиента - уровень системных вызовов, таких как OPEN, READ, CLOSE. После грамматического разбора вызова и проверки параметров, этот уровень обращается ко второму уровню - уровню виртуальной файловой системы (VFS). В структуре vnode имеется информация о том, является ли файл удаленным или локальным. Затем ядро создает vnode для удаленного каталога и обращается с запросом к клиент-программе для создания rnode (удаленного inode) в ее внутренних таблицах. Каждый vnode указывает либо на какой-нибудь rnode в NFS клиент-коде, либо на inode в локальной ОС.

3 Управление памятью

Свопинг

Имеются следующие типы виртуальных сегментов:

• 
  Текст (text) - содержит коды команд исполняемого модуля процесса. Он обычно обозначается "только для чтения", так чтобы ни сам процесс, ни другие процессы не могли изменить его кодовую часть. Текстовый сегмент может разделяться многими процессами, например, всеми пользователями, работающими с одним редактором.
  
• 
  Данные (data) - содержит данные, используемые и модифицируемые процессом во время выполнения. К сегменту данных обычно разрешается иметь доступ для чтения и записи. В отличие от текстового сегмента, сегмент данных никогда не разделяется другими процессами.
  
• 
  Стек (stack) - содержит стек процесса. Он помечается доступным для чтения и записи и, подобно сегменту данных, не может разделяться другими процессами.
  

• 
  Разделяемая память (shared memory) - область памяти, доступная для чтения и записи нескольким процессам.
  
• 
  Отображенный файл (mapped file) - сегменты отображенного файла используются для того, чтобы отобразить части файлов в адресное пространство процесса, и использовать стандартные механизмы ОС управления виртуальной памятью для ускорения доступа к файлам.
  

В самых нижних адресах находится текстовый сегмент ядра, затем располагается сегмент данных ядра, далее может идти динамический сегмент данных ядра, в котором отводится место для структур ядра, например, для дескрипторов процессов. В оставшейся физической памяти могут располагаться в общем случае несколько областей для хранения страниц пользовательских процессов. Эти области описываются таблицей pageac_table[ ], каждый элемент которой содержит номера начальной и конечной страницы области, указатели на дескрипторы первой и последней страниц, размещенных в этой области.

Для каждой физической страницы имеется дескриптор страницы - структура page, в котором содержится информация о том, свободна или занята страница, загружена ли в нее в данный момент виртуальная страница, модифицировано ли ее содержимое, сколько процессов хотят сохранить эту страницу в памяти и другая информация. В каждый момент времени дескриптор физической страницы может состоять в одном из следующих списков:

• 
  Список хэшированных виртуальных дескрипторов файла. 
  
• 
  Список свободных страниц.
  
• 
  Список страниц, образующих кэш страниц.
  

4 Система ввода-вывода

Драйверы

Связь ядра системы с драйверами (рисунок 5.15) обеспечивается с помощью двух системных таблиц:

• 
  bdevsw - таблица блок-ориентированных устройств и
  
• 
  cdevsw - таблица байт-ориентированных устройств.
  

• 
  класс устройства (байт-ориентированное или блок-ориентированное),
  
• 
  тип устройства (лента, гибкий диск, жесткий диск, устройство печати, дисплей, канал связи и т.д.)
  
• 
  номер устройства.
  

Такая организация логической связи между ядром и драйверами позволяет легко настраивать систему на новую конфигурацию внешних устройств путем модификации таблиц bdevsw и cdevsw.

После запуска устройства управление возвращается процессу, выдавшему запрос к драйверу.

Об окончании ввода-вывода каждого блока устройство оповещает операционную систему сигналом прерывания. Первое слово вектора прерываний данного устройства содержит адрес секции драйвера - модуля обработки прерываний rkintr. Модуль обработки прерываний проводит анализ правильности выполнения ввода-вывода. Если зафиксирована ошибка, то несколько раз повторяется запуск этой же операции, после чего драйвер переходит к вводу-выводу следующего блока данных из очереди к устройству.

Анализ отладочной информации

Когда Linux запускается впервые, он выдает много сообщений на экран, которые вы можете не успеть просмотреть. Linux содержит специальный команду dmesg для последующего просмотра сообщений ядра (можно также воспользоваться клавишами Ctrl+PgUp, Ctrl+PgDown для просмотра предыдущих экранов).

При загрузке выводятся сообщения ядра ОС LINUX. ( тип ваших видеокарты и монитора, Драйвер, драйвер параллельных портов, характристика памяти, жестких дисков и.т.д.). В заключении монтируется файцловая  система (Mounting remote filesystem) Эта строку выдает служба сетевой файловой системы при монтировании сетевой файловой системы

    Вопросы

1. 
   Контроль процессов на рабочей станции
   
2. 
   Почему на рабочей станции может быть установлены несколько операционных систем
   
3. 
   Чем отличается многозадачная система от однозадачной
   
4. 
   Чем отличается невытесняющая операционная система от вытесняющей
   
5. 
   Как проверить состояния загруженных приложений
   
6. 
   Что такое "демоны"
   
7. 
   Охарактризовать   процесс загрузки OC UNIX.
   
8. 
   Просмотреть список всех сервисов
   
9. 
   Просмотреть список всех процессов
   
10. 
    Определить по отладочной информации какие апаратные устройства обнаружены.
    
11. 
    Что такое сервис (демон) ОС? Привести пример.
    
12. 
    Определить по отладочной информации какие запущены демоны.
    

Используемая литеpатуpа: