Курсовая работа: Архитектура системы UNIX, общее описание, модель безопасности

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:

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

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

3.  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:

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

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

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

4.  М. Ганкарз, БИНОМ. Лаборатория знаний, 1991.

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

.