Вопросы по архитектуре ОС UNIX (ядра операционной системы)

Загрузку операционной системы можно разделить на несколько этапов. Начальный этап загрузки не зависит от того, какая операционная система установлена на компьютере, он в первую очередь связан с особенностями архитектуры используемого компьютера. Затем следуют этапы загрузчиков, которые также могут не относиться к определённым операционным системам, после чего инициализируется ядро операционной системы и производятся специфические только для этой ОС операции.

Рассмотрим загрузку операционной системы UNIX как следующую последовательность этапов (Рисунок 3.1, «Этапы загрузки ОС UNIX»):

Рисунок 3.1. Этапы загрузки ОС UNIX

досистемный загрузчик

Как правило, сразу после включения питания программа ПЗУ BIOS проводит тестирование оборудования, затем запускается досистемный загрузчик.

Задача этого этапа — определить (возможно, с помощью пользователя), с какого устройства будет идти загрузка, загрузить оттуда специальную программу-загрузчик и запустить её. Например, выяснить, что устройство для загрузки — жесткий диск, считать самый первый сектор этого диска и передать управление программе, которая находится в считанной области.

загрузчик первого уровня

Загрузчик первого уровня занимает обычно не более одного сектора в самом начале диска — в его загрузочной записи. Загрузочная запись диска (Master Boot Record) — первый сектор диска, в котором хранится таблица разделов и код системного загрузчика. Ядро операционной системы имеет довольно сложную структуру — а значит, и непростой способ загрузки; оно может быть довольно большим и может располагаться в произвольной област диска, подчиняясь законам файловой системы (например, состоять из нескольких частей, разбросанных по диску). Учесть все это первичный загрузчик не в состоянии, поэтому его задача — определить, где на диске находится загрузчик второго уровня, загрузить его в память и передать ему управление.

загрузчик второго уровня

Вторичный загрузчик — уже более сложная программа с интерфейсом пользователя, который даёт возможность выбирать операционную систему или параметры загрузки ядра. Чтобы продолжить загрузку, необходимо иметь доступ к образу ядра, поэтому зачастую в код загрузчика включается поддержка файловых систем. Более простые загрузчики в процессе предварительной установки сохраняют адреса всех блоков диска, в которых располагается файл с образом ядра.

В любом случае вторичный загрузчик читает образ ядра в определённый адрес памяти и передаёт туда управление.

Большинство операционных систем имеют собственные загрузчики первого и второго уровней. Однако существуют и универсальные загрузчики, не привязанные к конкретной операционной системе, например GRUB.

инициализация ядра операционной системы

Как мы уже выяснили ранее, ядро — очень сложная программа, взаимодействующая с различным оборудованием, поэтому прежде чем начать работу с системой, ядро необходимо проинициализировать.

Этот этап специфичен для различных операционных систем. В UNIX-подобных системах при этом обычно выводится информация отладочного характера о ходе загрузке ядра.

Первым делом ядро занимается определением параметров вычислительной подсистемы компьютера: выясняет тип и быстродействие центрального процессора, объем оперативной памяти, объем и структуру кэш-памяти; делает предположение об архитектуре компьютера в целом и многое другое.

На следующем шаге ядро определяет состав и архитектуру всего аппаратного наполнения компьютера: тип и параметры шин передачи данных и устройств управления ими (контроллеров), список внешних устройств, доступных по шинам, настройки этих устройств — диапазон портов ввода-вывода, адрес ПЗУ, занимаемое аппаратное прерывание, номер канала прямого доступа к памяти и т. п.

Ядро на основании параметра, переданного ему загрузчиком, выбирает корневой раздел — файловую систему, содержащую будущий каталог / и его подкаталоги (для системной начальной загрузки важны каталоги /etc, /bin, и /sbin). Корневой раздел монтируется в качестве /. После этого ядро запускает первый процесс — init (по умолчанию, /sbin/init).

процесс init

С этого момента операционная система обеспечивает полноценную функциональность всем исполняющимся процессам. В UNIX первым запускаемым процессом является init, о котором сказано в следующем разделе.

Процесс init

Процесс init является обычным процессом операционной системы, однако он имеет некоторые особенности: его PID всегда равен 1, и процесс этот выполняется всё время, пока работает система.

В UNIX-системах init играет две важные роли:

производит инициализацию системы — как правило, для работы запущенного ядра не достаточно, нужно смонтировать все файловые системы, загрузить дополнительные драйверы устройств, запустить демоны и т. п.;

является родительским для всех процессов в системе — это является гарантией того, что в UNIX для любого процесса в любой момент времени будет существовать родительский процесс.

Программа init в соответствии с файлом /etc/inittab запускает сценарий /etc/rc.d/rc.sysinit, все сценарии, определенные для уровня выполнения по умолчанию, и сценарий /etc/rc.d/rc.local, которые находятся в каталоге rc.d. Администратор системы может изменить процесс загрузки путем изменения этих сценариев.

Файл rc.sysinit представляет собой сценарий, который init запускает первым в процессе загрузки. Сценарий rc.sysinit отвечает за инициализацию системы. Здесь выполняются такие функции, как: установка системных переменных, проверка файловой системы и запуск восстановления после сбоев, включение пользовательских квот и построение файловой системы /proc.

При запуске процессов программа init выводит на консоль и в системный файл /var/log/messages информацию о статусе каждого запущенного процесса. Файл /var/log/messages является хорошим помощником в решении проблем, возникающих при загрузке. Ядро также заносит в него все сообщения об ошибках, происходящих в процессе загрузки.

Сценарии запуска и останова сервисов располагаются в каталоге /etc/rc.d/init.d. Символьная ссылка /etc/init.d также указывает на этот каталог.

Сценарий /etc/rc отвечает за перезапуск сервисов при изменении уровня выполнения. Используется следующая структура каталогов:

init.d rc3.d

rc0.d rc4.d

rс1.d rc5.d

rc2.d rc6.d

Номера в именах каталогов соответствуют уровням выполнения. Каждый каталог содержит сценарии, которые либо запускают, либо останавливают те или иные службы, необходимые на каждом уровне, а также инициализируют файловую систему.

Имя каждого сценария начинается либо с S (Start – начало), либо с К (Kill – остановка) и числа из двух цифр, которое определяет последовательность запуска сценариев. Чаще всего это символические ссылки на сценарии запуска системы, расположенных в /etc/init.d.

Обычно каждый сценарий принимает аргумент командной строки start или stop (хотя сценарии могут принимать и другие параметры). Программа init использует эти аргументы в зависимости от цели запуска сценария (для загрузки службы или для ее остановки).

Вопросы по архитектуре ОС UNIX (ядра операционной системы)

 2.1 Архитектура операционной системы UNIX (ядро и подсистемы).

Машинно-зависимая часть традиционного ядра ОС UNIX включает следующие компоненты:

· раскрутка и инициализация системы на низком уровне (пока это зависит от особенностей аппаратуры);

· первичная обработка внутренних и внешних прерываний;

· управление памятью (в той части, которая относится к особенностям аппаратной поддержки виртуальной памяти);

· переключение контекста процессов между режимами пользователя и ядра;

· связанные с особенностями целевой платформы части драйверов устройств.

 2.2 Подсистема управления памятью.

Управление памятью

Основная (или как ее принято называть в отечественной литературе и документации, оперативная) память всегда была и остается до сих пор наиболее критическим ресурсом компьютеров. Если учесть, что большинство современных компьютеров обеспечивает 32-разрядную адресацию в пользовательских программах, и все большую силу набирает новое поколение 64-разрядных компьютеров, то становится понятным, что практически безнадежно рассчитывать, что когда-нибудь удастся оснастить компьютеры основной памятью такого объема, чтобы ее хватило для выполнения произвольной пользовательской программы, не говоря уже об обеспечении мультипрограммного режима, когда в основной памяти, вообще говоря, могут одновременно содержаться несколько пользовательских программ.

Поэтому всегда первичной функцией всех операционных систем (более точно, операционных систем, обеспечивающих режим мультипрограммирования) было обеспечение разделения основной памяти между конкурирующими пользовательскими процессами. Мы не будем здесь слишком сильно вдаваться в историю этого вопроса. Заметим лишь, что применявшаяся техника распространяется от статического распределения памяти (каждый процесс пользователя должен полностью поместиться в основной памяти, и система принимает к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещаются в основной памяти), с промежуточным решением в виде "простого своппинга" (система по-прежнему располагает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю память и заменяет его в основной памяти образом некоторого другого процесса), до смешанных стратегий, основанных на использовании "страничной подкачки по требованию" и развитых механизмов своппинга.

Операционная система UNIX начинала свое существование с применения очень простых методов управления памятью (простой своппинг), но в современных вариантах системы для управления памятью применяется весьма изощренная техника.

 

 2.3 Подсистема управления процессами.

 

---

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 657; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

12345678910Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!