ВІДПОВІДІ НА ПИТАННЯ З КУРСУ "Системне програмування",

1. Історія розвитку Вт у зв'язку з історією розвитку системного програмного забезпечення. Сучасні комп'ютерні системи разом з прикладним ПО завжди містять системне, яке забезпечує організацію обчислювального процесу. Історія системного програмного забезпечення пов'язана з появою першого розвинутої в сучасному розумінні ОС UNIX. 1965 - Bell labs розробляє операційну систему Multix - прообраз UNIX, що має далеко не всі частини сучасної системи. До цього часу не існувало мобільних ОС (переносите на різні типи машин) і Multix також не був мобільної ОС. 1971 - написаний UNIX для роботи на найпотужнішою платформі того часу PDP - 11 1977 - Стає переносимої системою, тому що переписаний на мові C (ATTsystem V) 1981 - платформа Intel починає різко нарощувати свої можливості. Колосальним проривом було створення 8088, потім 8086, 80286, etc. З'являється однокористувальницька ОС MS-DOS, на 10 років стала стандартом де-факто для користувачів персональних комп'ютерів. Але для ПК з процесорами Intel з'являються і версії UNIX. Кінець 80 - початок 90 рр.. - Апаратні засоби різко збільшують свою потужність. Microsoft створює нову ОС Windows NT і з'являється стандарт Win32. Пізніше з'являється Windows 95 - ОС для одного робочого місця, але має багато можливостей NT, покликана витіснити MS-DOS. Апаратні засоби дозволяють створювати 64-бітові версії такої ОС, як UNIX, і незабаром вона з'являється і використовується на платформі Alpha фірми DEC. З нарощуванням потужності апаратних засобів системне програмне забезпечення стає все більш витонченим і має великі можливості. 2. Загальна класифікація обчислювальних машин. Сучасні архітектурні лінії ЕОМ. Системне ПЗ і його місце в сучасній інформатиці. ЕОМ є перетворювачами інформації. У них вихідні дані завдання перетворюються в результат її вирішення. Відповідно до використовується формою подання інформації машини діляться на два класи: безперервної дії - аналогові і дискретної дії - цифрові. В силу універсальності цифрової форми подання інформації цифрові електронні обчислювальні машини представляють собою найбільш універсальний тип пристрою обробки інформації. Основні властивості ЕОМ - автоматизація обчислювального процесу на основі програмного управління, величезна швидкість виконання арифметичних і логічних операцій, можливість зберігання великої кількості різних даних, можливість вирішення широкого кола математичних задач і задач обробки даних. Особливе значення ЕОМ полягає в тому, що вперше з їхньою появою людина отримала знаряддя для автоматизації процесів обробки інформації. Керуючі ЕОМ - призначені для управління об'єктом або виробничим процесом. Для зв'язку з об'єктом їх забезпечують датчиками. Безперервні значення сигналів з датчиків перетворюються за допомогою аналогово-цифрових перетворювачів у цифрові сигнали, кот. вводяться в ЕОМ в соотв з алгоритмом упр-я. Після аналізу сигналів формуються упр. впливу, які з прим. цифро-аналогових перетворювачів перетворюються в аналогові сигнали. Через виконавчі механізми змінюється стан об'єкта. Універсальні ЕОМ - призначені для вирішення великого кола завдань, склад яких при РОЗРОБЦІ ЕОМ не конкретизується. Приклад сучасних архітектурних ліній ЕОМ: персональні ЕОМ (IBM PC та Apple Macintosh - сумісні машини), машини для обробки специфічної інформації (графічні станції Targa, Silicon Graphics), великі ЕОМ (мейнфрейми IBM, Cray, ЄС ЕОМ). Загальне призначення системного ПЗ - забезпечувати інтерфейс між програмістом або користувачем і апаратною частиною ЕОМ (операційна система, програми-оболонки) і виконувати допоміжні функції (програми-утиліти) Сучасна операційна система забезпечує наступне: 1) Управління процесором шляхом передачі управління програмами. 2) Обробка переривань, синхронізація доступу до ресурсів. 3) Управління пам'яттю. 4) Керування пристроями вводу-виводу. 5) Управління ініціалізацією програм, міжпрограмні зв'язку. 1) Керування даними на довготривалих носіях шляхом підтримки файлової системи. Див також стандарти в (1). 1. Загальне поняття архітектури. Принципи побудови Нд 4-го покоління. Архітектура - сукупність технічних засобів та їх конфігурацій, за допомогою яких реалізована ЕОМ. ЕОМ 4 покоління, має, як правило, шинну архітектуру, що означає підключення всіх пристроїв до однієї електричної магістралі, наз. шиною. Якщо пристрій виставило сигнал на шину, інші можуть його вважати. Ця властивість використовується для організації обміну даними. З цією метою шина розділена на 3 адреси - шина адреси, шина даних і шина керуючого сигналу. Всі сучасні ЕОМ також включають пристрій, з. арбітром шини, яке визначає черговість заняття ресурсів шини різними пристроями. У PC поширені шини ISA, EISA, PCI, VLB. ШИНА 2. Склад і функції основних блоків НД: процесора, оперативної пам'яті, пристрої керування, зовнішніх пристроїв. Структурна схема машини фон Неймана: Аріфм.-логічний. уст-во
 
Уст-під управління
 
Вн. уст-
Оперативна пам'ять
, Та збирання припиниться. Використання багатомодульним структури необхідно: а) для розбиття великого тексту на модулі за функціональним призначенням; б) для створення бібліотек процедур; в) для написання підпрограм в мови високого рівня. 34. Технологія розробки програм - трансляція та редагування зв'язків. Поняття про вихідний, об'єктному, що виконується модулях. Вихідний код програми - код, написаний на мові програмування. Може включати модулі на ЯВУ і модулі з підпрограмами на мові асемблера. Об'єктний модуль - код програми після трансляції (компіляції), перетворений в машинні коди. Крім них містить зовнішні посилання та інформацію для редактора зв'язків і може також містити налагоджувальну інформацію (debug info). Виконуваний модуль-модуль, що містить готову до виконання програму - м.б. 2 видів: а) точний образ пам'яті програми з прив'язкою до абсолютних адресами (в MS-DOS - формат файлу *. COM) б) переміщуваний виконуваний формат, см. 17. Трансляція - отримання об'єктного коду з вихідного. Редагування зв'язків - дозвіл зовнішніх посилань і створення виконуваного модуля з об'єктних. 35. Основні функції редактора зв'язків - розподіл пам'яті, дозвіл зовнішніх посилань - див 17, 33. 36. Програмні сегменти і їх атрибути, способи розподілу пам'яті під сегменти. Власне сегменти і розподіл пам'яті див 30. Атрибути сегментів Атрибут комбінації сегмента призначений дляуказанія компонувальника, яким чином поєднувати сегменти, що знаходяться в різних модулях і мають однакові імена. М.б. PRIVATE (сегмент не буде об'єднуватися з однойменними з дерев модулів), PUBLIC (буде) і деякі інші. Атрибут класу сегмента є рядком, укладену в лапки, яка дозволяє визначити компонувальника потрібний порядок розміщення сегментів при приміщенні їх в програму з різних модулів. Він групує разом сегменти з однаковим класом. Атрибут вирівнювання сегмента - повідомляє компонаовщіку, щоб він подбав про те, щоб сегмент починався з зазначеної кордону. Можливе вирівнювання: BYTE - вирівнювання не робиться, сегмент починається з наступного байта, WORD (DWORD) - вирівнювання погарніце слова (подвійного слова), PARA - вирівнювання по межі 16-байтового параграфа, і т.п. Атрибут розміру сегмента - показує розмір, 16 або 32-бітні сегменти. Атрибут доступу - показує можливість доступу до сегмента в захищеному режимі - доступний як кодовий, для читання, запису, читання та запису. 37. Дозвіл зовнішніх посилань, функція автовизова, бібліотеки об'єктних модулів і їх використання. Дозвіл зовнішніх посилань - див 33, 17. Бібліотеки об'єктних модулів - пакет об'єктних модулів, що зібрані в один файл і підключається до програми на етапі вирішення зовнішніх посилань (всі ідентифікатори, які повинні бути доступні з бібліотек, оголошуються в модулях як PUBLIC). Компонувальник може переглядати бібліотеку і самостійно знаходити потрібні модулі, позбавляючи від цього програміста. Бібліотеки робляться за допомогою програми-бібліотекаря. Бібліотекар може додавати і витягувати модулі, а також отримувати список доступних ідентифікаторів. Будь-який компілятор ЯВУ має в комплекті кілька стандартних бібліотек, наприклад, бібліотеки введення-виведення, роботи з плаваючою точкою, графічну і т.п. 38. Типи зовнішніх посилань і загальних імен. Статичне і динамічне дозвіл посилань. Зовнішні посилання див. 17, 33, 34. Статичне і динамічне дозвіл зовнішніх посилань. Процес дозволу зовнішніх посилань на етапі створення виконуваного модуля - статичне дозвіл посилань. Можливо і динамічне подсоедіеніе потрібних модулів на етапі роботи програми. а) Динамічно викликається завантажувач, тобто програма викликає завантажувач і приєднує втрачені частини. Такий підхід невигідний (складний і вимагає багато часу) б) DLL - принцип бібліотек, що розділяються. DLL - це пакет функцій, відредагований для виконання в позиційно-незалежному стилі. Має таблицю всіх розміщених функцій. Для роботи з ним програма виконує 1) функцію завантаження DLL, 2) перехід по зсуву в таблиці функцій. При роботі з DLL кілька програм можуть використовувати одну її копію в пам'яті. 39. Динамічний розподіл пам'яті, оверлейной програми. Загальна структура об'єктного модуля. Стандартний виконуваний псевдоперемещаемий модуль (наприклад, типу EXE для DOS) містить сегменти в тому вигляді, в якому вони будуть розміщені в пам'яті. Такий розподіл пам'яті називається статичним. У ситуації браку пам'яті, окремий код або дані, які можуть бути потрібні не всі разом, а по черзі, розумніше було б довантажувати в пам'ять у процесі виконання. Виділення пам'яті під виконуваний код в процесі роботи програми і видалення їх після використання називається динамічним розподілом пам'яті. Програми, що містять динамічно підвантажувані модулі, називаються оверлейной, а самі такі модулі - оверлеями. Завантаження даних з модуля в загальному випадку не становить проблем, у разі завантаження коду перед виконанням він має бути особливим чином підготовлений (наприклад, з урахуванням місця розташування викликає програми в пам'яті для підпрограм повинні бути утворені правильні посилання). Таку підготовку виконує спеціальна програма - менеджер оверлеїв. Він може поставлятися, а) як бібліотека компілятора [в Borland Pascal 7.0]. У цьому випадку оверлейной модуль, як правило, має якийсь свій специфічний формат, робота з ним ведеться за допомогою стандартних підпрограм. Код оверлейной підпрограм і даних розміщується в пам'яті [в BP буфер оверлеїв має плаваючу кордон з купою] і після закінчення роботи з ним може бути вилучений. б) може бути впроваджений у структуру оверлейной модуля. У цьому випадку модуль має формат файлу, що виконується, і для ініціалізації він повинен бути запущений стандартним для ОС способом з-під викликає програми. Оверлеї мають широке поширення в системі MS-DOS, при підвантаження використовується не тільки основна пам'ять, а й DOS-специфікації розширеної: XMS, EMS. У розвинених багатозадачних системах використовується, в основному, дуже схожа технологія DLL. Її відмінність в тому, що вона функціонує в захищеному режимі і дозволяє використовувати одну свою копію в пам'яті різними програмами. DLL можна розглядати як наступне покоління оверлейной технології. 40. Основні функції ОС. Принципи мультипрограмування. Системні ресурси. Основні функції ОС: 1) Управління процесором шляхом передачі управління програмами. 2) Обробка переривань, синхронізація доступу до ресурсів. 3) Управління пам'яттю. 4) Керування пристроями вводу-виводу. 5) Управління ініціалізацією програм, міжпрограмні зв'язку. 6) Управління даними на довготривалих носіях шляхом підтримки файлової системи. Ресурс - який-небудь об'єкт або показник надійності якого-небудь об'єкта. Системні ресурси - сукупність апаратних ресурсів і системних сервісів. Основними споживачами системних ресурсів є процеси, що виконуються в системі. 41. Захист програм і даних в мультипрограмному середовищах. Режими управління. Захист та розподіл пам'яті. Захист програм і даних в багатозадачних ОС означає малу ймовірність того, що збій однієї з періодом виконання програм не викличе пошкодження даних або коду інших програм, і по можливості ізолювати процеси один від одного. У всіх ОС ім. хоча б 2 режиму процесора - системний і призначений для користувача. Програма ісп. в режимі користувача і не може використовувати ряд команд. У системному режимі є все. Перемикання режимів роботи здійснюється системними викликами. Системний виклик - спеціальна команда, що призводить до переривання, і в ядрі ОС існує кілька точок, куди перейде управління з цього переривання. 386 має вбудований механізм для цих перемикань - шлюз. Захист пам'яті - здійснюється шляхом блокування доступу до пам'яті інших процесів, а також блокування доступу до пам'яті ядра. Один зі способів - вся пам'ять ділиться на сторінки, і у кожної є замок - 4-бітовий ознака, який можна встановити лише привілейованих командою. У процесорі є 4-бітовий регістр - ключ, який також можна встановити лише привілейованих командою. При зверненні відбувається порівняння замку і ключа. З появою багатозадачності з'явилася проблема розподілу пам'яті. При роботі реальної програми звернення до ОП мають тенденцію до локалізації. Пам'ять можна розділити на використовувану і невикористовувану. Щоб відстежити використання області пам'яті, всю ОП можна розбити на сторінки фіксованого розміру (4К) і з кожною сторінкою зв'язати біт, який встановлювати при зверненні до даної сторінки. 42. Управління ЦП - фонова обробка, пактная обробка, переривання. 43. Загальна схема функціонування ОС - супервізор, диспетчер, планувальник. Віртуалізація. Супервізор - програма багатозадачного ОС, що забезпечує найкраще використання ресурсів ЕОМ при одночасному виконанні декількох завдань. Планувальник - програма, що виконує алгоритм планування процесів. Планування черговості надання що виконуються процесам часу центрального процесора (диспетчеризація). Процеси працюють з центральним процесором у режимі поділу часу. 44. Віртуальна пам'ять і способи її реалізації. Сторінкова пам'ять. Свопінг. Віртуальна пам'ять відрізняється від звичайної ОП тим, що якісь її рідко використовуються фрагменти можуть знаходитися на диску і довантажувати в реальну ОП в міру необхідності. Така організація пам'яті позволяетс зняти обмеження, що накладаються об'ємом фізичної пам'яті, встановленої на ЕОМ. Для реалізації ВП використовують, наприклад, динамічну переадресацію. Сегментом в термінах ВП називається область пам'яті з 2L сторінок. Спочатку за номером в таблиці сегментів відшукується сегмент. Таблиця сегментів містить початковий адреса таблиці сторінок. Друга частина адреси використовується для звернення до цієї таблиці, і по ній знаходиться фізичну адресу цієї сторінки. Результати поізка за таблицями запам'ятовуються в швидкодіючому асоціативному ЗУ, званому TLB. Найбільш часто вживані адреси відкладаються в TLB і тому 98-99% звернень до пам'яті йдуть без перегляду таблиць. Сторінкова організація пам'яті - організація, при якій адресний простір пам'яті розбивається на малі ділянки - сторінки. Використовується для управління пам'яттю в системах, що працюють в захищеному режме. Як правило, така організація пам'яті має на увазі пейджинг - механізм віртуальної пам'яті, при якому сторінки витісняються на диск і підкачуються з диска. Свопінг - алгоритм реалізації віртуальної пам'яті. Його можна розбити на три частини: управління простором на пристрої вивантаження, вивантаження процесів з основної пам'яті і підкачка процесів в основну пам'ять. Як пристрій вивантаження використовують розділ на пристрої типу жорсткого (swap-partition) або дисковий файл (swap-file) на такому пристрої. 45. Системна архітектура 80386: сегментування, сторінкова організація, засоби авторизації та захисту. Можливості 80386 повністю розкриваються, коли він працює в захищеному режимі. У цьому режимі адресний простір розширюється до 4Т, а віртуальне - до 64Т. 80386 використовує сегментацію - один з методів управління пам'яттю. Сегменти - самостійні області пам'яті, що мають власні атрибути. У сегменті м.б. код програми або дані. Вся інформація про сегмент запам'ятовується в спец. структурі, наз. дескриптором. Дескриптори використовуються апаратно і не доступні з програм. Межсегментние виклики до 80386 відбуваються з урахуванням захисту. Крім сегментації, 80386 підтримує інший вид організації пам'яті - сторінкову організацію. Сторінки - це малі блоки пам'яті однакового розміру, що не мають логічного зв'язку зі структурою програм. Вони використовуються в основному на рівні ОС. Сторінки можуть підкачуватися з диска і витіснятися на диск (пейджинг). У 80386 є режим віртуального 8086 - режим, що емулює 8086 в захищеному режимі, при якому у кожного користувача багатозадачного системи створюється ілюзія монопольного володіння ресурсами машини. 80386 підтримує 4-уровненвую систему захисту, управління захистом здійснюється за допомогою рівнів прівелігірованності. Рівень прівелігірованності управляється привілейованих командами, командами вводу-виводу і доступом до сегментним дескриптора. 1