Дәріс № 3

Тақ ырыбы: Процесстер. ОЖ ядросы.

Дә рістің сұ рақ тары:

1. Процесс. Процесстің кү йлері.

2. Процесстермен операциялар орындау.

3. Ү зілістерді ө ң деу. Ү зілістер типтері.

4. ОЖ ядросы. Ядроның негізгі функциялары.

5. ОЖ иерархиялық структурасы.

6. Linux ОЖ архитектурасы.

Процесс. Процесс ұ ғ ымы 60 жылдан бастап, операциялық жү йе программасында пайда болды. Мынаны ескеруіміз керек: программа бұ л – файлды жү ктеу немесе оны дискке сақ тау (мысал ретінде), ал процесс - осы ә рекеттердің ө ту этаптары.

Процесстің жағ дайы. Енді негізгі ү ш процесстік жағ дайды қ арастырамыз.

· Сол уақ ытта орындалғ ан орталық процессордың бө ліну процесінің жұ мысының орындалып жатқ анын айқ ындайды.

· Орталық процессорды қ олданып ә рекеттерді орналастырса, процесстің жұ мысы орындалып болғ анын айқ ындайды.

· Жұ мыстың орындалу барысында кү тпеген жағ дайдың орын алуы, процесстік жағ дайдың блокталғ анын айқ ындайды.

Процесстің жұ мыс жағ дайы. Процестің басқ ару жү йесінің орындалуы келесі қ атармен жү ргізіледі:

Процесстің қ ұ рылуы. Процесстің қ ұ рылуына РСВ басқ ару процессі, алғ ашқ ы ресурстық процестің шығ уы жә не т.б

Процесстің жойылуы. Процестің жойылу барысында шығ арылғ ан ресурстар жү йеге енгізіліп, кез-келген тізім жә не кестелер ө шіріліп қ алады, ал басқ ару блогындағ ы процесс кең ейеді.

Процесстің тоқ татылуы. Тоқ тату процесі жұ мысы қ андайда бір процесстің кө мегімен іске асырылады.

Іске қ осу процессінің ө згеруі. РСВ процестік модификациялық жағ дайлардағ ы операцияны білдіреді. Бұ дан басқ а да блоктау, жіберу, іске қ осу процестері қ олданылады.

ОЖ қ осымша модуьдері жә не Ядро. ОЖ структуризациясы оның барлық модуьдерінің екі топқ а бө лінуіне ортақ болып келеді:

1. Ядро –ОЖ басты функцияларын шешуші модульдері.

2. ОЖ кө мекші функцияларын шешуші модульдері.

Ядролық модульдер ОЖ мынадай базалық функцияларын орындайды: процесстерді басқ ару, жадығ а сақ тау, шығ ыс-кіріс қ ұ рылғ ыларын басқ ару жә не т.с.с. Ядро ОЖ жү регінен тұ рады онсыз ОЖ толығ ымен жұ мыс істеу қ абілетінен айырылады жә не де бірде бір ө зінің функцияларын орындай алмайды.

Ядроның қ ұ рамына кіретін функциялар, ішкі-жү елік есептердің шешуші қ ұ рамды процестері, мынадай:

1. контекстерді ауыстыру.

2. беттердің жү ктеу/выгрузка

3. ү зілулерді ө ң деу

06.02.12

Бұ л функциялар қ осымшаларғ а қ ол жетімді емес. Ядро функциясының басқ а классы қ осымшағ а қ олдау қ ызметін атқ арады, жә не оларғ а атаулы қ олданбалы программалық орта жасайды. Қ осымшалар ядроғ а сұ раныс жасай алады –жү йелік шақ ырулар –сол немесе басқ а ә рекеттердің орындалуы, мысалы бір файылдың оқ ылуы жә не ашылуы графикалық мә ліметтерді дисплейғ а шығ ару, жү йелік уақ ытты алу т.б. қ осымшамен шақ ырылатын функцияның ядросы, қ олданбалы программалық интерфейстерді қ ұ райды – АРІ (Application Programming Interfase) –ә дістерді таң дау функциясы программисттің функционалды программалық компанентті қ олдануғ а арналғ ан жолы (программалар, модульдер, кітапханалар). АРІ маң ызды абстракция болып келеді, функционалдық ты «таза тү рде» жазушы.

Windows – Win32 API арналғ ан қ олданбалы программалаудың интерфейсын қ арастырамыз. Win32 API жү йелік шақ ырулардан бө лектетілген. Бұ л ә р тү рлі нұ сқ аларда программаларды кө шірмей-ақ жү йелік шақ ыруларды ө згертуге мү мкіндік береді. Сондық тан шақ ыру жү йелік болама тү сініксіз (ядромен орындалады), ә лде ол пайдаланушының кең істігінде ө ң деледі. Win32 API-да 1000 аса шақ ырулар болады. Мұ ндай кө лем UNIX пайдаланушының графикалық интерфейстері пайдаланушы режимінде қ осылуымен байланысты, ал Windows ядроғ а орнатылғ ан. Сондық тан Win32 API арналғ ан басқ ару терезелері, тақ ырыптар, шрифттер т.б., кө п шақ ырулар бар.

Win32 API шақ ырулары, стандартты POSIX шақ ыруларына ұ қ сауын қ арастырамыз.

-CreatProcess (fork) –жаң а процесс қ ұ ру.

-ExitProcess(exit) –процессті аяқ тау.

-CreatFile(open) –файлды ашу.

-CloseHandle(close) –файлды жабу.

-ReadFile(read) –файлдағ ы мә ліметтерді буферғ а оқ иды.

-WritFile(write) –буфердағ ы мә ліметтерді файлғ а жазады.

-CreatDirectory(mkdir) –жаң а каталог қ ұ рады.

-RemoveDirectory(rmdir) –каталогты жояды.

-SetCurrentDirectory(chdir) –жұ мыс істейтін каталогты ө згертеді.

Сурет.2.1. Win32 API Windows интерфейсі

Функциялар, ядро модульдерімен орындалатын ОЖ функциясы болып келеді, сондық тан олардың орындалу жылдамдығ ы жү йенің толығ ымен бар қ абілетін анық тайды. Барлық ОЖ жұ мыс істеу жылдамдығ ымен қ амтамасыз ету ү шін ядро модульдері жә не де олардың ү лкен бө ліктері ә рқ ашан жедел есте сақ тау жадысында болады, демек резидентті болады.

Ядро компютерлік жү йедегі барлық есептеуіш процестерді қ озғ аушы кү ші болып келеді, жә не ядроның қ ұ лауы барлық жү йенің қ ұ лауымен тең. Сондық тан ОЖ қ ұ растырушылар ядро кодтарының қ ауіпсіздігіне ерекше кө ң іл бө леді, нә тижесінде процесс пен олардың отладка кө п айларғ а созылуы мү мкін.

Кейде ядро арнайы форматтың кей программалық модульдері ретінде рә сімделеді, пайдаланушылық қ осымша форматтардан ерекшеленеді.

Қ алғ ан ОЖ модульдері аса қ ажетті бірақ аз міндетті функцияларды орындайды. Мысалы, мұ ндай кө мекші модульдерге мыналар кіреді:

1. Мә ліметтерді архивтеу программасы.

2. Дискті дифрагменттеу.

3. Тексттік редакторды.

ОЖ кө мекші модульдері кейде қ осымша тү рінде, кейде процедуралар кітапханасы тү рінде рә сімделеді.

Сол себепті ОЖ кейбір компаненттері қ арапайым қ осымша ретінде рә сімделген, демек стандартты модульдердің берілген ОЖ форматында орындалу ретінде берілгендіктен, ОЖ мен қ осымшалар арасына нақ ты шектеу қ ою ө те кү рделі де жиі болады.

Қ андайда бір программа ОЖ бө лігі болама жоқ па екендігін, ОЖ қ абілеттілігі шешім қ абілдайды. Кө п факторлардың ішінде осы шешімге ә сер ете алатын, берілген ОЖ потенциялдық қ олданушылардың программағ а сұ ранысы кө лемді болуы маң ызды болып келеді. Кейбір программа берілген уақ ытта пайдаланушылық қ осымша ретінде бола алады, ал содан кейін ОЖ бө лігі болады жә не керісінше болады. Осығ ан мысал ретінде Microsoft компаниясының Web-браузер пограммасының ө згеру статусы келеді, ә лгі жеке қ осымша ретінде бастапқ ыда Windows NT 4.0 жә не Windows 95/98 ОЖ бө лігі болды, ал бү гінгі кү ні сот шешімінде бұ л браузер қ айта тұ рақ ты қ осымшағ а айналуына ү лкен мү мкіндік бар.

–ОЖ қ осалқ ы модулі

–Қ олданушы қ осалқ ыс

Сурет 2.2. Қ осалқ ы жә не ОЖ арасындағ ы айқ ындық

Ерекше артық шылығ ы бар режимдегі ядро. Қ осымшалардың орындалу жү рісін қ ауіпсіз басқ аруда ОЖ қ осымшағ а деген ерекше артық шылық тары болуы қ ажет. Ендеше оның дұ рыс жұ мыс істемейтін қ осымшасы ОЖ жұ мысына кедергі болуы мү мкін, мысалы, оның кодтар бө лігін, ОЖ қ ұ растырушылардың бар жіберген кү штері бос ә урешілік болып қ алады егер олардың шешімдерінің орындалуы қ осымша молдульді жү йеден қ орғ амайды, қ андай элегантты жә не эфектті шешімдер болмасын. Компьютер ресурстарының мультипрограммалық режимінде қ осымшамен араларындағ ы дауда арбитрдың ролін ойнау ү шін ОЖ ерекше қ асиеттері болуы керек. Еш бір қ осымша ОЖ бұ йрығ ынсыз қ осымша есте сақ тау қ ұ ралын алу мү мкіндігі жоқ, жә не процессорда ОЖ –де берілген уақ ытынан артық ұ стауғ а, сыртқ ы қ ұ ралдармен қ атар атқ аруғ а рұ қ сат жоқ.

Арнайы аппараттық қ ұ ралдардың кө мегінсіз ОЖ ерекше артық шылық ты қ олдаумен қ амтамасыз ету мү мкін емес. Компьютердің аппаратурасы аз дегенде екі режимді ұ стауы қ ажет:

1. Қ олданушы режимі (user mode)

2. Ядро режимі деп аталатын ерекше артық шылығ ы бар режим (remel mode), ә лде супервизор (supervisor mode).

ОЖ кейбір бө ліктері ерекше артық шылығ ы бар режимде, ал қ осымша –қ олданушы режимінде жұ мыс атқ арады деп мойындалады.

Ядро операциялық жү йенің барлық негізгі жү иелерін орындағ андық тан, кө бінесе ол артық шылық режимінде жұ мыс істейтін операциялық жү йенің бө лігі болып саналады.

Кейде артық шылық режиміндегі жұ мыс «ядро» тү сінігінің негізгі анық тамасы болып саналады.

ОЖ утилиталары Жү йе орындайтын прог Қ олднушы қ осалқ ысы

Қ олданушы режимі

Артық щылық режиміндегі ядро мен жү йенің ОЖ-сі

Процессордың міндеттерін ауыстырумен, Енгізу-Шығ ару қ ұ ралдарын басқ арумен механизмдерді реттеу жә не жадты қ орғ ау рұ қ сатымен байланысты, тұ тынушы режиміндегі кейбір критикалық командалардың орындалуына тиым салынатындық тан, қ осымша бағ ының қ ы жағ дайғ а қ ойылады. Нұ сқ аулық тардың орындалуына тек белгілі жағ дайларда ғ ана тиым салынса, тұ тынушы режимінде ондай нұ сқ аулық тардың орындалуына сө зсіз тиым салынады (ондай нү сқ ауларғ а артық тандырылғ ан режимдегі ө ту нұ сқ ауы жатады). Мысалы; барлық қ осымшалармен операциялық жү йеде жалпы деректерді сақ тайтын, бірақ арнайы қ осымшалар ү шін монополиялық иелікте бө лінген кейінгі портқ а рұ қ сат ететін қ атқ ыл дискінің бақ ылаушысына рү қ сат кезінде Енгізу-Шығ ару нұ сқ аулары қ осымшаларғ а тиым салуы мү мкін.

Операциялық жү йенің артық шылық тары жадқ а рұ қ сат етілгенде ұ қ сас тү рде қ амтамассыз етіледі. Мысалы; егер нұ сқ аулық операциялық жү йеде берілген қ осымшасына жіберілген жадтың аумағ ында болса, онда қ осымшаларғ а жадқ а ену ү шін нұ сқ аулық тар орындалуына рұ қ сат етіледі. Ал, операциялық жү йе жә не басқ а қ осымшаларда орын алатын жадтың аумағ ында болмайтын жағ дайда тиым салынады. Жадқ а енуге нұ сқ аулық тармен жадты қ орғ ау конфигурациялық механизмдер нұ сқ аулары тек артық шылық режимінде ғ ана орындалуғ а рұ қ сат етілгендіктен, операциялық жү йенің толық бақ ылауы жү зеге асады. Мысалы; (Мэйнфреймах ІВМ-де жадты қ орғ ау кілттерінің ө згеруі немесе Рentium процессорында жад дескрипторларының кестесіндегі сілтемелерінің ө згеруі).

Жадты қ орғ ау механизмі операциялық жү йе мен тек қ осымшалардан ө з жадтарының аумақ тарын қ орғ ауғ а ғ ана емес, сондай-ақ операциялық жү йемен белгіленген қ андай да бір қ осымшалардың жад аумақ тарын басқ а қ осымшалардан қ орғ айды. Ә р қ осымша ө з кең істігінде жұ мыс істейді. Бұ л қ асиеті жадтың ө з аумағ ында жұ мыс істейтін қ ате қ осымшаларды таратпауғ а мү мкіндік береді. Сондық тан да оның қ ателері басқ а қ осымшалармен операциялық жү йеге ә сер етеді.

Аппаратты жү зеге асыратын артық шылық дең гейінің мө лшерімен операциялық жү йені қ олдайтын артық шылық дең гейінің мө лшері арасында байланыс жоқ. 4 дең гейлі базада Intel компаниясы процессорлармен қ амтамассыз ететін 0S/2 операциялық жү йесі 3 дең гейлі артық шылық жү йені жасауда, ал Windows NT, UNIX жә не кейбір операциялық жү йе 2 дең гейлі жү йемен шектелуде. Бір жағ ынан егер аппарат 2 дең гейлі артық шылық ты қ олданса, операциялық жү йе осының негізінде программалық ә діспен дамығ ан қ орғ ау жү йесін жасай алады. Мысалы; бұ л жү йе иерархияны тудырушы артық шылық тардың бірнеше дең гейін қ олдай алады. Бірнеше артық шылық тардың болуы операциялық жү йе модульдерінің арасында да толық егжей - тегжейлі реттеуді рұ қ сат етеді. Ішкі операциялық жү йе артық тандырылғ ан жә не аз артық тандырылғ ан бө ліктердің пайда болуы операциялық жү йенің бағ дарламалық кодттарының ішкі қ ателіктерінің беріктілігін кө теруге ә келеді. Себебі мұ ндай қ ателіктер тек модульдер ішінде белгіленген арнайы дең гейлі артық шылық пен таралады. Артық тандырылғ ан модульдер бө лігі аз артық тандырылғ ан модульдер деректеріне енуге жә не олардың орындалуын басқ аруғ а рұ қ сат алатын деференциялық артық шылық тардың ортасындағ ы кү рделі қ олданбалы кешендер қ ұ руғ а мү мкіндік береді.

Процессор артық шылығ ының 2 режимі негізінде операциялық жү йе ресурстарды жекелей қ орғ айтын кү рделі жү йе қ ұ ра алады. Оғ ан мысал ретінде файлдар мен каталогтардың ә деттегі қ орғ ау жү йесі бола алады. Бұ ндай жү йе кез-келген тұ тынушығ а, ә рі файлдармен каталогтарғ а рұ қ сат қ оюғ а белгілі қ ұ қ ық тар бере алады.

Ядроның артық тандырылғ ан режимге ауысуын қ амтамассыз ететін операциялық жү йенің нақ тылығ ы кейбір жү йелік шақ ыртулардың орындалуының бә сең делуі арқ асында жоғ арлайды. Артық тандырылғ ан жү йенің шақ ыртуы процессордың тұ тынушы режимінен артық шылық тар режиміне ауысуына бастайды, ал қ осымшағ а қ айтарылғ анда - артық шылық режимінен тұ тынушы режиміне ауысады. Процессорлардың барлық тү рлерінде қ осымша екі мә ртелі тоқ татуда ауыстырылатындық тан, ауысымсыз режимі процедурасын шақ ыртуғ а қ арағ анда процедуралық ауысым режиміне кө шу баяу жү зеге асады. Артық тандырылғ ан ядромен тұ тынушы режиміндегі қ осымшаларғ а негізделген операциялық жү йе архитектурасы классикалық болады. Оны кө птеген атақ ты операциялық жү йе оның ішінде - UNIX, VАХ VМS, ІВМ OS/390, OS/2 сияқ ты сан алуан нұ сқ аулары жә не арнайы модификациялармен - Windows NТ жү йелері бар.

Оқ иғ аларда соналардың ө ң деушілері шегінеді мынаның сә улет классикалық тү рінің, тү йін жұ мысын жә не қ осымшаларды ұ йымдастыра бірде жә не том ғ ой тә ртіпте. Дә л осылай, тү йін жұ мысына арналғ ан қ алай белгілі мамандандырылғ ан операциялық жү йе Novell компания NetWare 86| Pentium Intel х процессорларының пұ рсатты тә ртібін қ олданады, дә л осылай жә не ө з ерекше қ осымшалардың - толтыра арту модульдерінің жұ мысына арналғ ан. Дә л осылай қ алай тә ртіптердің ауыстырып қ осулары жоқ, бірақ мыналар жанында жад сенімді аппараттық қ орғ анышы жоқ болады, модульдермен орын иеленгеннің соналардың, дө рекі жұ мыс істеуші қ осымшадан, NetWare ө ң деушілері ө з операциялық жү йе сенімділік сондай потенциалды тө мендеуіне кетті, шек қ ойылғ ан терім сондық тан ә рбір қ осымша мү қ ият жө ндеулері шоттың артынан сә улетшілік жетіспеушілік оны мынау мамандандырылғ ан қ осымшаларды компенсациялауғ а рұ қ сат етеді.

Қ олданушы режимі

Артық шылық режимі

NLM

2.5-шi сурет. Басқ ару жү йесiнiң ық шамдалғ ан архитектурасы NetWare

Бiр тә ртiпте жұ мыстың ерекше қ ұ қ ық ты режимін қ олдамайтын процессорлар ү шiн тiптi жасалғ ан басқ ару жү йелерi ядро жә не қ осымша арқ ылы жұ мыс iстейдi. Мұ ндай тү рдiң ө те ә йгiлi процессоры Intel 8088/86 болып табылды, IBM компанияснының дербес компьюлерге негiзі жарағ ан процессоры.Бұ л компьютерлерге арналып жасалғ ан Microsoft компаниясымен игерiлген MS-DOS операциялық жү йесі, msdos.sys жә не io.sysтiң жү йелiк шақ ыруларғ а command.comның командалық интерпретаторы, жү йелiк утилиталар жә не қ осымшаларғ а айналғ ан (модулдердың ядро атауын пайдаланылып, ол олар негiзi бойынша болып табылғ андығ ымен) жү йенiң ядро қ ұ растырылғ ан екi модулдерінен тұ рды. MS-DOS архитектурасы ОЖ-нің 2.1-шi сурет келтiрiлген архитектурасына сә йкес келедi. Дө рекi жазылғ ан қ осымшалар кейде жоғ арыд айтылғ ан MS-DOS-тың негiзгi модулдерін ә бден қ ирата алды, бiрақ (дербес компьютер, MSXтың сондайы, СР/М ү шiн ерте басқ ару жү йелерiнiң кө п ұ қ сас тү рлері) MS-DOS-тың қ олдану облысы жә не ОЖ-нің биiк сенiмдiлiкке қ ойылатын талаптарының кө рсетпедi.

Жұ мыстың (80286-дан бастай) Intel мү мкiндiгiнiң процессорларының ерекше қ ұ қ ық ты режимiндегi болжамдардың кенжелеулерiнде пайда болуына MS-DOS-тың ө ң деуішi болмады. Бұ л ОЖ-лер 8086/88-шi процессорды шығ аратын нақ ты тә ртiп деп аталатындарғ а осы тип процессорларында ә рдайым жұ мыс iстейдi. Нақ ты тә ртiп қ олданбалы тә ртiптiң синонимы болып табылғ анда санамауы керек болғ анында емес, оның екiнiң бiрiмен ерекше қ ұ қ ық ты режимінде болғ анына байланысты.

Нақ ты тә ртiп тек қ ана оғ ан ерте 8086/88-шi ү лгiсiмен жә не екiнiң бiрiмен процессорлардың кешiрек ү лгiлерiнiң ү йлесiмдiгiне iске асырылды артық шылық тардың тө рт дең гейлерi бiрлерде кешiрек ү лгiлердiң процессорларының тү сiнiктi барлық ерекшелiктерi болып қ алыптасатын процессордың қ орғ ал қ алғ ан жұ мыс тә ртiбi, соның iшiнде жә не жұ мыс болып табылады.