Архитектура системы UNIX, общее описание, модель безопасности

Введение

В данной курсовой работе дается общий обзор операционной системы UNIX. Прежде всего, рассматривается история системы, а также причины ее популярности в настоящее время.

Все пользователи ОС UNIX так или иначе наверняка работают с файлами. В данной работе рассматривается древовидная файловая структура UNIX.

Затем следует описание структуры ядра данной операционной системы, модели безопасности, вводятся понятия диспетчеризации, прерываний, системного времени (таймера), кеша, а также рассматривается проблема построения многопроцессорных систем.

Операционная система UNIX - это многопользовательская система с разделением времени. Сеанс в этой системе всегда начинается с авторизации. Причем, это правило универсально и не зависит от того, где именно (к примеру, на рабочей станции / интернет - сервере) запускается версия UNIX. В этом и заключается одно из ключевых отличий UNIX от других операционных систем. Одно из, но не единственное. UNIX находится на вершине самых популярных в мире операционных систем благодаря тому, что ее сопровождает и распространяет большое число компаний. Существуют версии UNIX для многих систем, начиная от персонального компьютера, до суперкомпьютеров, таких как Cray Y-MP.

Цель курсовой работы состоит в изучении общей структуры системы, выделении и развитии ее ключевых особенностей и свойств, понимание которых позволит сложить комплексное впечатление о системе UNIX.

Задачи: - раскрыть понятие операционной системы, ее функции и отличия от других;

- рассмотреть архитектуру ядра системы; - ознакомиться с классической моделью безопасности UNIX и UNIX – like ОС;

- рассмотреть технические особенности построения многопроцессорных систем на базе рассматриваемой системы;

Определение

UNIX (читается ю́никс) — семейство переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных систем.

История

Система Multics. В 1965 году компания Bell Telephone Laboratories, объединив собственные труды с фирмой General Electric и проектом MAC Массачусетского научно-технического ВУЗа, обратилась к исследованию новейшей операционной системы, получившей имя Multics. Перед системой Multics были поставлены разнообразные цели, среди которых - обеспечить одновременный доступ к ресурсам ЭВМ множества пользователей, обеспечить необходимую скорость вычислений и хранение данных и дать возможность пользователям при необходимости коллективно использовать данные. Многие создатели, позднее участвовавшие в разработке ранних версий системы UNIX, приняли участие в работе над системой Multics в организации Bell Laboratories. В попытке усовершенствовать среду программирования, Кен Томпсон, Дэннис Риччи и некоторые другие сотрудники Исследовательского центра по информатике создали на бумаге проект файловой системы, который позднее получил развитие в ранних версиях UNIX.

Позднее, Томпсон получил доступ к малоиспользуемой машине под названием PDP – 7, что позволило ему изучить ее и выполнить свой проект системы, включавший в себя начальную версию файловой системы, систему обеспечения управления процессами и скудный набор утилит. Новая система получила название UNIX (аналогия с Multics). Придумал это название еще один сотрудник Исследовательского центра – Брайн Керниган.

Для работы в реальном проекте (обработка текстов) в 1971 году система была перенесена на машину PDP – 11.

В 1973 году система была переписана с использованием языка С, имеющего возможность генерировать машинный код, объявлять типы о определять структуру данных. Популярность системы быстро росла и уже к 1977 году количество машин, работавших под ее управлением, приближалось к 500.

UNIX оказалась простой и понятной для большинства разработчиков, благодаря чему начали развиваться самостоятельные направления системы. В течение 1977 – 82 годов фирма Bell Lab., объединив несколько наиболее удачных вариантов, выпустила UNIX версии 3. С 1983 года начала распространяться версия 5.

Причины популярности системы UNIX

Популярность и востребованность системы во многом объясняются следующими особенностями:

Система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать, понимать, изменять и переносить на другие машины. Первый вариант системы на Си имел на 20-40 % больший объем и работал медленнее по сравнению с вариантом на ассемблере, однако преимущества использования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки.

Наличие довольно простого пользовательского интерфейса, в котором имеется возможность предоставлять все необходимые пользователю услуги.

Наличие элементарных средств, позволяющих создавать сложные программы из более простых.

Наличие иерархической файловой системы, легкой в сопровождении и эффективной в работе.

Обеспечение согласования форматов в файлах, работа с последовательным потоком байтов, благодаря чему облегчается чтение прикладных программ.

Наличие простого, последовательного интерфейса с периферийными устройствами.

Система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь может одновременно выполнять несколько процессов.

Последовательность и простота вообще являлись и являются характерными для систем UNIX и UNIX – like.

Структура системы

Система UNIX не монолитна. Операционная система взаимодействует с аппаратурой непосредственно, обеспечивая обслуживание программ и их независимость от деталей аппаратной конфигурации. Если представить систему состоящей из пластов, в ней можно выделить системное ядро, изолированное от пользовательских программ. Поскольку прикладные программы не зависят от аппаратного устройства исполняющей их машины, то они могут быть перенесены из одной системы в другую (учитывая, что в этих программах не предусмотрена работа с некоторым точно определенным оборудованием).

Программы, подобные командному процессору shell, взаимодействуют с ядром при помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обращения к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций, которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между ядром и программой. Другие прикладные программы располагаются выше указанных программ, на верхнем уровне.

Многие прикладные программы, редакторы, программные пакеты и т.п. со временем становятся синонимичны понятию “система UNIX”. Однако, следует иметь ввиду, что все они пользуются ресурсами программ нижнего уровня и, в конечном счете, ядра. Т.е. в каноническом, наиболее правильном варианте понимания, к словам “система UNIX” относится именно ядро.

Первоначальная загрузка

Для того, чтобы перевести систему из неактивное состояние в активное, администратор выполняет процедуру "начальной загрузки". На разных машинах эта процедура имеет свои особенности, однако во всех случаях она реализует одну и ту же цель: загрузить копию операционной системы в основную память машины и запустить ее на исполнение.

В системе UNIX процедура начальной загрузки заканчивается считыванием с диска в память блока начальной загрузки (нулевого блока). Программа, содержащаяся в этом блоке, загружает из файловой системы ядро ОС (например, из файла с именем "/unix" или с другим именем, указанным администратором). После загрузки ядра системы в память, ядро запускается на выполнение.

Файловая система UNIX

Рассмотрим ключевые особенности данной системы, в первую очередь полезные для общего понимания UNIX/

Итак, файлы характеризуются:

Иерархической структурой,

согласованной обработкой массивов данных,

возможностью создания и удаления файлов,

динамическим расширением файлов,

защитой информации в файлах,

трактовкой периферийных устройств как файлов.

Файловая система представляет собой дерево, с единственной основой – корнем (root), обозначающимся как “/”.

Каждая вершина в древовидной структуре файловой системы, кроме листьев, является каталогом файлов, а файлы, соответствующие дочерним вершинам, являются либо каталогами, либо обычными файлами, либо файлами устройств.

Каталоги похожи на обычные файлы в том смысле, что система представляет информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя имена файлов в каталоге в объявленном формате.

Права доступа

Права доступа определяются установкой трех остальных флагов (битов разрешения) на файлах для 3 – х действий: чтение, запись, выполнение. (rwe) Делается эта установка для 3 – х разных случаев: для владельца файла, для общего пользования и для прочих случаев.

Устройства

Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств, становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к устройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; семантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степени совпадает с семантикой операций чтения и записи обычных файлов. Способ защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов.

Процессы

Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последовательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особенность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом), при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы (такой как copy) может одновременно находиться в системе. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на наступление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной системе, процессы выполняются независимо друг от друга.

Возможный набор состояний процесса содержится в следующем перечне:

Процесс выполняется в режиме задачи.

Процесс выполняется в режиме ядра.

Процесс не выполняется, но готов к запуску под управлением ядра.

Процесс приостановлен и находится в оперативной памяти.

Процесс готов к запуску, но программа подкачки (нулевой процесс) должна еще загрузить процесс в оперативную память, прежде чем он будет запущен под управлением ядра.

Процесс приостановлен и программа подкачки выгрузила его во внешнюю память, чтобы в оперативной памяти освободить место для других процессов.

Процесс возвращен из привилегированного режима (режима ядра) в непривилегированный (режим задачи), ядро резервирует его и переключает контекст на другой процесс.

Процесс вновь создан и находится в переходном состоянии; процесс существует, но не готов к выполнению, хотя и не приостановлен. Это состояние является начальным состоянием всех процессов, кроме нулевого.

Процесс вызывает системную функцию exit и прекращает существование. Однако, после него осталась запись, содержащая код выхода, и некоторая хронометрическая статистика, собираемая родительским процессом. Это состояние является последним состоянием процесса.

Диспетчеризация процессов в системе UNIX

В системе разделения времени ядро предоставляет процессу ресурсы центрального процессора (ЦП) на интервал времени, называемый квантом, по истечении которого выгружает этот процесс и запускает другой, периодически переупорядочивая очередь процессов. Алгоритм планирования процессов в системе UNIX использует время выполнения в качестве параметра. Каждый активный процесс имеет приоритет планирования; ядро переключает контекст на процесс с наивысшим приоритетом. При переходе выполняющегося процесса из режима ядра в режим задачи ядро пересчитывает его приоритет, периодически и в режиме задачи переустанавливая приоритет каждого процесса, готового к выполнению.

То есть, в соответствии с этим принципом ядро предоставляет процессу ресурсы ЦП на квант времени, по истечении которого выгружает этот процесс и возвращает его в одну из нескольких очередей, регулируемых приоритетами. Прежде чем процесс завершится, ему может потребоваться множество раз пройти через цикл с обратной связью. Когда ядро выполняет переключение контекста и восстанавливает контекст процесса, процесс возобновляет выполнение с точки приостановки.

Общий алгоритм диспетчеризации

разу после переключения контекста ядро запускает алгоритм планирования выполнения процессов, выбирая на выполнение процесс с наивысшим приоритетом среди процессов, находящихся в состояниях "резервирования" и "готовности к выполнению, будучи загруженным в память". Рассматривать процессы, не загруженные в память, не имеет смысла, поскольку не будучи загружен, процесс не может выполняться. Если наивысший приоритет имеют сразу несколько процессов, ядро, используя принцип кольцевого списка (карусели), выбирает среди них тот процесс, который находится в состоянии "готовности к выполнению" дольше остальных. Если ни один из процессов не может быть выбран для выполнения, ЦП простаивает до момента получения следующего прерывания, которое произойдет не позже чем через один таймерный тик; после обработки этого прерывания ядро снова запустит алгоритм планирования.

Системные часы / таймер

В функции программы обработки прерываний по таймеру входит:

перезапуск часов

вызов на исполнение функций ядра, использующих встроенные часы

поддержка возможности профилирования выполнения процессов в режимах ядра и задачи

сбор статистики о системе и протекающих в ней процессах

слежение за временем

посылка процессам сигналов "будильника" по запросу

периодическое возобновление процесса подкачки

управление диспетчеризацией процессов

Некоторые из функций реализуются при каждом прерывании по таймеру, другие - по прошествии нескольких таймерных тиков.

Программа обработки прерываний по таймеру запускается с высоким приоритетом обращения к процессору, не допуская во время работы возникновения других внешних событий (таких как прерывания от периферийных устройств). Поэтому программа обработки прерываний по таймеру работает очень быстро, за максимально-короткое время пробегая свои критические отрезки, которые должны выполняться без прерываний со стороны других процессов.

Функции операционной системы

Данные функции довольно очевидны. Среди них:

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 процессор 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.

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.

Прерывания и особые ситуации:

Система UNIX позволяет таким устройства, как внешние устройства ввода-вывода и системные часы, асинхронно прерывать работу центрального процессора. 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 будет обработано ядром, прерванный контекст восстановится и работа продолжится так, как будто ничего не случилось. Устройствам обычно приписываются приоритеты 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 приоритетом.

Особые ситуации связаны с возникновением незапланированных событий, вызванных процессом, таких как недопустимая адресация, задание привилегированных команд, деление на ноль и т.д.

Различают некоторое количество уровней прерывания. Их можно перечислить как (от высшего к низшему):

Машинные сбои

Системные часы

Диск

Сетевое оборудование

Терминалы

Программное прерывание

Установка уровня прерывания на определенное значение отсекает прерывания этого и более низких уровней, разрешая обработку только прерываний с более высоким приоритетом.

архитектура операционная многопроцессорный ядро

Архитектура ядра UNIX

Я буду рассматривать ядро системы как некоторую модель. Файловая подсистема и подсистема управления процессами, две главные компоненты ядра. Файловая подсистема управляет файлами, размещает записи файлов, управляет свободным пространством, доступом к файлам и поиском данных для пользователей. Процессы взаимодействуют с подсистемой управления файлами, используя при этом совокупность специальных обращений к операционной системе, таких как open (для того, чтобы открыть файл на чтение или запись),close, read, write, stat (запросить атрибуты файла), chown (изменить запись с информацией о владельце файла) и chmod (изменить права доступа к файлу).

Подсистема управления файлами обращается к данным, которые хранятся в файле, используя буферный механизм, управляющий потоком данных между ядром и устройствами внешней памяти. Буферный механизм, взаимодействуя с драйверами устройств ввода-вывода блоками, инициирует передачу данных к ядру и обратно.

Данные в ядре и их структура

Большинство информационных структур ядра размещается в таблицах фиксированного размера, а не в динамически выделенной памяти. Простота алгоритмов ядра представляется более важной, чем сжатие последних байтов оперативной памяти. Обычно в алгоритмах для поиска свободных мест в таблицах используются несложные циклы и этот метод более понятен и иногда более эффективен по сравнению с более сложными схемами выделения памяти.

Структура процессов: управляющие и пользовательские.

Ядро системы не выделяет управляющие процессы в отдельный класс. К управляющим процессам, грубо говоря, относятся те процессы, которые выполняют различные функции по обеспечению благополучной работы пользователей системы. К таким функциям относятся форматирование дисков, создание новых файловых систем, восстановление разрушенных файловых систем, отладка ядра и др. С концептуальной точки зрения, между управляющими и пользовательскими процессами нет разницы. Они используют один и тот же набор обращений к операционной системе, доступный для всех. Управляющие процессы отличаются от обычных пользовательских процессов только правами и привилегиями, которыми они обладают.

Сверхоперативная память или КЕШ

Ядро операционной системы поддерживает файлы на внешних запоминающих устройствах большой емкости, таких как диски, и позволяет процессам сохранять новую информацию или вызывать ранее сохраненную информацию. Если процессу необходимо обратиться к информации файла, ядро выбирает информацию в оперативную память, где процесс сможет просматривать эту информацию, изменять ее и обращаться с просьбой о ее повторном сохранении в файловой системе.

Ядро могло бы производить чтение и запись непосредственно с диска и на диск при всех обращениях к файловой системе, однако время реакции системы и производительность при этом были бы низкими из-за низкой скорости передачи данных с диска. По этой причине ядро старается свести к минимуму частоту обращений к диску, заведя специальную область внутренних информационных буферов, именуемую буферным кешем и хранящую содержимое блоков диска, к которым перед этим производились обращения.

Перед чтением информации с диска ядро пытается считать что-нибудь из буфера кеша. Если в этом буфере отсутствует информация, ядро читает данные с диска и заносит их в буфер, используя алгоритм, который имеет целью поместить в буфере как можно больше необходимых данных. Аналогично, информация, записываемая на диск, заносится в буфер для того, чтобы находиться там, если ядро позднее попытается считать ее. Ядро также старается свести к минимуму частоту выполнения операций записи на диск.

Плюсы и минусы КЕШ

+

Использование буферов позволяет внести единообразие в процедуру обращения к диску, поскольку ядру нет необходимости знать причину ввода-вывода, что упрощает проектирование системы.

Благодаря использованию буферного кеша, сокращается объем дискового трафика и время реакции и повышается общая производительность системы.

-

Так как ядро в случае отложенной записи не переписывает данные на диск немедленно, такая система уязвима для сбоев, которые оставляют дисковые данные в некорректном виде. Пользователь, запрашивающий выполнение операции записи, никогда не знает, в какой момент данные завершат свой путь на диск.

Использование буферного кеша требует дополнительного копирования.

При передаче большого количества данных дополнительное копирование отрицательным образом отражается на производительности системы, однако при передаче небольших объемов данных производительность повышается.

Представление файлов внутри системы

Систематизируя прошлую информацию, хочу отметить, что каждый файл в системе UNIX имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу, например, права собственности на файл, права доступа к файлу, размер файла и расположение данных файла в файловой системе. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов.

У индексов можно выделить следующие поля:

-Идентификатор владельца файла. Права собственности разделены между индивидуальным владельцем и "групповым" и тем самым помогают определить круг пользователей, имеющих права доступа к файлу. Суперпользователь имеет право доступа ко всем файлам в системе.

-Тип файла. Файл может быть файлом обычного типа, каталогом, специальным файлом,

-Права доступа к файлу. Система разграничивает права доступа к файлу для трех классов пользователей: индивидуального владельца файла, группового владельца и прочих пользователей

-Таблица адресов на диске, в которых располагается информация файла.

-Размер файла

К примеру:

владелец sergey

группа test

тип - обычный файл

права доступа rwxr-wxr-x

последнее обращение 02 Сен 2009 13:45

последнее изменение 15 Сен 2009 10:30

коррекция индекса 23 Сен 2009 13:30

размер 70030 байт

Модель безопасности UNIX

По сути, я косвенно касался данной модели в прошлых разделах, преимущественно при описании файловой системы.

Модель безопасности UNIX довольно проста. В основе её лежит дискреционный механизм доступа - каждый объект в системе имеет владельца, который и устанавливает права доступа к объекту. Сами пользователи в системе фигурируют в виде процессов - программ, запущенных от их имени. Так как в операционной системе UNIX даже устройства представляются в виде файлов, достаточно для каждого из них хранить владельца и права на использование этого файла другими пользователями системы.

Но в операционной системе могут работать тысячи пользователей (а такая ситуация встречается и сейчас - на мэйнфреймах и других больших машинах). При этом списки доступа (ACL, Access Control List) для каждого файла разрастутся до гигантских размеров. Частично эту проблему решает добавление групп пользователей, но ведь их число тоже может быть очень большим. Создатели UNIX придумали более элегантное решение: для каждого файла задаются три группы прав - права владельца, права группы владельца и права для всех остальных. Таким образом, все права на файл занимают лишь несколько байт.

В UNIX существует три основных права доступа: чтение, запись и исполнение. Если права чтения и записи очевидны и понятны, то право исполнения трактуется по-разному для разных типов файлов. Для простых файлов оно определяет возможность запуска содержащейся в нём программы. В UNIX исполняемые файлы могут иметь не только любое расширение (часто они вообще не имеют в имени символа точки), но и содержимое - это может быть откомпилированная для данной архитектуры программа или скрипт на любом из поддерживаемых языков программирования. А вот для директории право исполнения означает возможность "войти" в неё.

Помимо комбинации из этих девяти прав доступа, каждый файл может иметь дополнительные флаги доступа: sticky-бит, специфичный для директорий, и suid-бит, применяемый для исполняемых файлов. Если пометить директорию sticky-битом, удалять файл в ней смогут только владельцы, а не все те, кто имеют права записи на эту директорию - это необходимо в "общих директориях", где создавать и удалять файлы может любой. Suid-бит - большая головная боль системных администраторов, он нужен для повышения прав программы на время запуска.

Распределение основной (оперативной) памяти

Алгоритм планирования использования процессорного времени в сильной степени зависит от выбранной стратегии управления памятью. Процесс может выполняться, если он хотя бы частично присутствует в основной памяти; ЦП не может исполнять процесс, полностью выгруженный во внешнюю память. Тем не менее, основная память - чересчур дефицитный ресурс, который зачастую не может вместить все активные процессы в системе. Если, например, в системе имеется основная память объемом 8 Мбайт, то девять процессов размером по 1 Мбайту каждый уже не смогут в ней одновременно помещаться. Какие процессы в таком случае следует размещать в памяти (хотя бы частично), а какие нет, решает подсистема управления памятью, она же управляет участками виртуального адресного пространства процесса, не резидентными в памяти. Она следит за объемом доступного пространства основной памяти и имеет право периодически переписывать процессы на устройство внешней памяти, именуемое устройством выгрузки, освобождая в основной памяти дополнительное место. Позднее ядро может вновь поместить данные с устройства выгрузки в основную память.

В ранних версиях системы UNIX процессы переносились между основной памятью и устройством выгрузки целиком и, за исключением разделяемой области команд, отдельные независимые части процесса не могли быть объектами перемещения. Такая стратегия управления памятью называется свопингом (подкачкой). Такую стратегию имело смысл реализовывать на машине типа PDP-11, где максимальный размер процесса составлял 64 Кбайта. При использовании этой стратегии размер проце исса ограничивается объемом физической памяти, доступной в системе.

Система BSD (версия 4.0) явилась главным полигоном для применения другой стратегии, стратегии "подкачки по обращению" (demand paging), в соответствии с которой основная память обменивается с внешней не процессами, а страницами памяти; эта стратегия поддерживается и в последних редакциях версии V системы UNIX. Держать в основной памяти весь выполняемый процесс нет необходимости, и ядро загружает в память только отдельные страницы по запросу выполняющегося процесса, ссылающегося на них.

Преимущество стратегии подкачки по обращению состоит в том, что благодаря ей отображение виртуального адресного пространства процесса на физическую память машины становится более гибким: допускается превышение размером процесса объема доступной физической памяти и одновременное размещение в основной памяти большего числа процессов. Преимущество стратегии свопинга состоит в простоте реализации и облегчении "надстроечной" части системы.

Demand paging

В машинах с объемом физической памяти 1 и 2 Мбайта могут исполняться процессы размером 4 или 5 Мбайт. Ограничение на виртуальный размер процесса, связанное с объемом адресуемой виртуальной памяти, остается в силе и здесь. Поскольку процесс может не поместиться в физической памяти, ядру приходится динамически загружать в память отдельные его части и исполнять их, несмотря на отсутствие остальных частей. В механизме подкачки страниц все открыто для пользовательских программ, за исключением разрешенного процессу виртуального размера.

Процессы стремятся исполнять команды небольшими порциями, которые именуются программными циклами или подпрограммами.

Когда процесс обращается к странице, отсутствующей в его рабочем множестве, возникает ошибка, при обработке которой ядро корректирует рабочее множество процесса, в случае необходимости подкачивая страницы с внешнего устройства. По мере выполнения процесса его рабочее множество видоизменяется в соответствии с используемыми процессом указателями страниц; увеличение размера памяти влечет за собой увеличение рабочего множества и, с другой стороны, сокращение числа ошибок в выполнении процесса.

Подсистема ввода/вывода

Подсистема управления вводом-выводом позволяет процессам поддерживать связь с периферийными устройствами, такими как накопители на магнитных дисках, терминалы, принтеры и сети, с одной стороны, и с модулями ядра, которые управляют устройствами и именуются драйверами устройств, с другой. Между драйверами устройств и типами устройств обычно существует однозначное соответствие: в системе может быть один дисковый драйвер для управления всеми дисководами, один терминальный драйвер для управления всеми терминалами и один ленточный драйвер для управления всеми ленточными накопителями. Если в системе имеются однотипные устройства, полученные от разных изготовителей - например, две марки ленточных накопителей, - в этом случае можно трактовать однотипные устройства как устройства двух различных типов и иметь для них два отдельных драйвера, поскольку таким устройствам для выполнения одних и тех же операций могут потребоваться разные последовательности команд. Один драйвер управляет множеством физических устройств данного типа. Например, один терминальный драйвер может управлять всеми терминалами, подключенными к системе. Драйвер различает устройства, которыми управляет: выходные данные, предназначенные для одного терминала, не должны быть посланы на другой.

Система поддерживает "программные устройства", с каждым из которых не связано ни одно конкретное физическое устройство. Например, как устройство трактуется физическая память, чтобы позволить процессу обращаться к ней извне, пусть даже память не является периферийным устройством.

Два типа устройств

В системе UNIX имеется два типа устройств - устройства ввода/вывода блоками и устройства неструктурированного или посимвольного ввода-вывода. Устройства ввода-вывода блоками, такие как диски, для остальной части системы выглядят как запоминающие устройства с произвольной выборкой; к устройствам посимвольного ввода-вывода относятся все другие устройства, в том числе терминалы и сетевое оборудование. Устройства ввода-вывода блоками могут иметь интерфейс и с устройствами посимвольного ввода-вывода.

Пользователь взаимодействует с устройствами через посредничество файловой системы. Каждое устройство имеет имя, похожее на имя файла, и пользователь обращается к нему как к файлу. Специальный файл устройства имеет индекс и занимает место в иерархии каталогов файловой системы. Файл устройства отличается от других файлов типом файла, хранящимся в его индексе, либо "блочный", либо "символьный специальный", в зависимости от устройства, которое этот файл представляет. Если устройство имеет как блочный, так и символьный интерфейс, его представляют два файла: специальный файл устройства ввода-вывода блоками и специальный файл устройства посимвольного ввода-вывода. Системные функции для обычных файлов, такие как open, close, read и write, имеют то же значение и для устройств.

Многопроцессорные системы

В классической постановке для системы UNIX предполагается использование однопроцессорной архитектуры, состоящей из одного ЦП, памяти и периферийных устройств. Многопроцессорная архитектура, напротив, включает в себя два и более ЦП, совместно использующих общую память и периферийные устройства, располагая большими возможностями в увеличении производительности системы, связанными с одновременным исполнением процессов на разных ЦП. Каждый ЦП функционирует независимо от других, но все они работают с одним и тем же ядром операционной системы. Поведение процессов в такой системе ничем не отличается от поведения в однопроцессорной системе - с сохранением семантики обращения к каждой системной функции - но при этом они могут открыто перемещаться с одного процессора на другой. Хотя, к сожалению, это не приводит к снижению затрат процессорного времени, связанного с выполнением процесса. Отдельные многопроцессорные системы называются системами с присоединенными процессорами, поскольку в них периферийные устройства доступны не для всех процессоров.

Проблемы многопроцессорных систем

Защита целостности структур данных ядра системы UNIX обеспечивается двумя способами: ядро не может выгрузить один процесс и переключиться на контекст другого, если работа производится в режиме ядра, кроме того, если при выполнении критического участка программы обработчик возникающих прерываний может повредить структуры данных ядра, все возникающие прерывания тщательно маскируются. В многопроцессорной системе, однако, если два и более процессов выполняются одновременно в режиме ядра на разных процессорах, нарушение целостности ядра может произойти даже несмотря на принятие защитных мер, с другой стороны, в однопроцессорной системе вполне достаточных.

Избежать этого можно при использовании одного из 3–х перечисленных способов:

Исполнять все критические операции на одном процессоре, опираясь на стандартные методы сохранения целостности данных в однопроцессорной системе;

Регламентировать доступ к критическим участкам программы, используя элементы блокирования ресурсов;

Устранить конкуренцию за использование структур данных путем соответствующей переделки алгоритмов.

Систему с двумя процессорами, один из которых - главный (master) - может работать в режиме ядра, а другой - подчиненный (slave) - только в режиме задачи, впервые реализовал на машинах типа VAX. Эта система, реализованная вначале на двух машинах, получила свое дальнейшее развитие в системах с одним главным и несколькими подчиненными процессорами. Главный процессор несет ответственность за обработку всех обращений к операционной системе и всех прерываний. Подчиненные процессоры ведают выполнением процессов в режиме задачи и информируют главный процессор о всех производимых обращениях к системным функциям. Выбор процессора, на котором будет выполняться данный процесс, производится в соответствии с алгоритмом диспетчеризации.

Проблема диспетчеризации в многопроцессорных системах

Единственным местом, где целостность структур данных ядра еще подвергается опасности, является алгоритм диспетчеризации, поскольку он не предохраняет от выбора процесса на выполнение сразу на двух процессорах. Например, если в конфигурации имеется один главный процессор и два подчиненных, не исключена возможность того, что оба подчиненных процессора выберут для выполнения в режиме задачи один и тот же процесс. Если оба процессора начнут выполнять его параллельно, осуществляя чтение и запись, это неизбежно приведет к искажению содержимого адресного пространства процесса.

Избежать возникновения этой проблемы можно двумя способами. Во-первых, главный процессор может явно указать, на каком из подчиненных процессоров следует выполнять данный процесс. Если на каждый процессор направлять несколько процессов, возникает необходимость в сбалансировании нагрузки (на один из процессоров назначается большое количество процессов, в то время как другие процессоры простаивают). Задача распределения нагрузки между процессорами ложится на главное ядро. Во-вторых, ядро может проследить за тем, чтобы в каждый момент времени в алгоритме диспетчеризации принимал участие только один процессор.

Семафоры

Семафор представляет собой обрабатываемый ядром целочисленный объект, для которого определены следующие элементарные (неделимые) операции:

Инициализация семафора, в результате которой семафору присваивается неотрицательное значение;

Операция (P), уменьшающая значение семафора. Если значение семафора опускается ниже нулевой отметки, выполняющий операцию процесс приостанавливает свою работу;

Операция (V), увеличивающая значение семафора. Если значение семафора в результате операции становится больше или равно 0, один из процессов, приостановленных во время выполнения операции P, выходит из состояния приостанова;

Условная операция (CP), уменьшающая значение семафора и возвращающая логическое значение "истина" в том случае, когда значение семафора остается положительным. Если в результате операции значение семафора должно стать отрицательным или нулевым, никаких действий над ним не производится и операция возвращает логическое значение "ложь".

Семафор - это структура, состоящая из поля блокировки (управляющего доступом к семафору), значения семафора и очереди процессов, приостановленных по семафору. Поле блокировки содержит информацию, открывающую во время выполнения операций типа P и V доступ к другим полям структуры только одному процессу. По завершении операции значение поля сбрасывается. Это значение определяет, разрешен ли процессу доступ к критическому участку, защищаемому семафором. В начале выполнения алгоритма операции P ядро предоставляет процессу право исключительного доступа к семафору и уменьшает значение семафора. Если семафор имеет неотрицательное значение, текущий процесс получает доступ к критическому участку. По завершении работы процесс сбрасывает блокировку семафора, открывая доступ к семафору для других процессов, и возвращает признак успешного завершения. Если же в результате уменьшения значение семафора становится отрицательным, ядро приостанавливает выполнение процесса, используя алгоритм: основываясь на значении приоритета, ядро проверяет поступившие сигналы, включает текущий процесс в список приостановленных процессов, в котором последние представлены в порядке поступления, и выполняет переключение контекста. Операция V получает исключительный доступ к семафору и увеличивает значение семафора. Если очередь приостановленных по семафору процессов непустая, ядро выбирает из нее первый процесс и переводит его в состояние "готовности к запуску".

Узкие места многопроцессорности

Оба рассмотренных мною метода (основанный на семафорах и на использовании главного и подчиненного процессора) инвариантны к количеству процессоров, однако говорить о том, что с ростом числа процессоров общая производительность системы увеличивается с линейной скоростью, нельзя. Потери производительности возникают, во-первых, как следствие конкуренции за ресурсы памяти, которая выражается в увеличении продолжительности обращения к памяти. Во-вторых, в схеме, основанной на использовании семафоров, к этой конкуренции добавляется соперничество за семафоры; процессы зачастую обнаруживают семафоры захваченными, больше процессов находится в очереди, долгое время ожидания получения доступа к семафорам. Первая схема, основанная на использовании главного и подчиненного процессоров, тоже не лишена недостатков: по мере увеличения числа процессоров главный процессор становится узким местом в системе, поскольку только он один может функционировать в режиме ядра. Несмотря на то, что более внимательное техническое проектирование позволяет сократить конкуренцию до разумного минимума и в некоторых случаях приблизить скорость повышения производительности системы при увеличении числа процессоров к линейной, все построенные с использованием современной технологии многопроцессорные системы имеют предел, за которым расширение состава процессоров не сопровождается увеличением производительности системы.

Заключение

В работе были описаны: полная структура системы UNIX, взаимоотношения между процессами, выполняющимися в режиме задачи и в режиме ядра, файловая система, методы защиты, а также аппаратная среда функционирования ядра операционной системы.

Операционная система UNIX обеспечивает надежную среду разработки и использования мобильных прикладных систем, одновременно представляя собой практическую основу для построения открытых программно-аппаратных систем и комплексов. Именно широкое внедрение в практику ОС UNIX позволило перейти от лозунга Открытых Систем к практической разработке этой концепции. Большой вклад в развитие направления Открытых Систем внесла деятельность по стандартизации интерфейсов ОС UNIX.

Архитектура системы поддерживает такой стиль программирования, при котором из небольших программ, выполняющих только отдельные функции, но действительно хорошо делающих это, 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.

Список использованной литературы:

Дж. Баш, Архитектура операционной системы UNIX, Prentice-Hall, 1986.

Л. Торвальдс, Наследие UNIX и перспективы развития модели безопасности в Linux, БХВ-Петербург, 1993.

Б. Керниган, UNIX - универсальная среда программирования, Финансы и статистика, 1992.

М. Ганкарз, БИНОМ. Лаборатория знаний, 1991.

Википедия, http://ru.wikipedia.org/wiki/UNIX, UNIX - Википедия

.