Реферат на тему процессы и потоки

Обновлено: 05.07.2024

1 Введение ………………………………………………………..…………….…5
2 Процессы и потоки……………………………………………………………. 6
3 Синхронизация потоков………………….…………………………………. 8
3.1 необходимость синхрониза-ции……………………………………….8
3.2 механизм синхронизации и ее объекты……………………..……. 8
3.3 проблемы синхронизации……………………………………………10
3.4 работа с объектами синхрониза-ции………………………………..11
4 Методы синхронизации……………………………….……. 12
4.1 методы прерываний и сигна-лов……..………………………….….12
4.2 метод семафоров ..…………………………………………………..13
4.3 метод блокировки …………………………………………………. 14
4.4 метод гармонически взаимодействующих последовательных
процессов…………………………………………….…………………………..14
5 Приложение…………………………………………………………………….16
6 Заключение……………………………………………………………………..18
7 Библиографический список …………………………………………………..19

Файлы: 1 файл

Синхронизация Windows. Процессы, потоки и методы синхронизации.doc

Федеральное агентство по образованию

(СТ.000000. 088. ПЗ)

(дата оценка роспись)

Зав. кафедрой______________________ ______

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ ПО ОПЕРАЦИОННЫМ СИСТЕМАМ

Студент: Чемрова Алёна Павловна

Факультет автоматизации и систем управления

Тема: Cинхронизация Windows. Процессы, потоки и методы синхронизации

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 19 страниц. Использовались семь литературных источников.

Целью работы является изучение понятия синхронизации и ее методов в операционной системе Windows. Изучение понятий процесс и поток, выяснение необходимости и способов реализации синхронизации процессов.

СОДЕРЖАНИЕ

3.1 необходимость синхронизации……………………………………….8

3.2 механизм синхронизации и ее объекты……………………..……. 8

3.3 проблемы синхронизации…………………………………………… 10

3.4 работа с объектами синхронизации………………………………..11

4 Методы синхронизации……………………………….…….. . 12

4.1 методы прерываний и сигналов……..………………………….….12

4.4 метод гармонически взаимодействующих последовательных
процессов…………………………………………….……… …………………..14

7 Библиографический список …………………………………………………..19

1 Введение

В данной работе рассмотрен принцип организации синхрониза ции в операционной системе Windows: что такое процессы и потоки, как, и какими средствами синхронизовать их псевдопараллельное выполнение.

2 Процессы и потоки

Поток представляет собой последовательность инструкций, которые считывает и исполняет процессор. Современные ОС позволяют запустить много потоков, которые будут исполняться параллельно. Таким образом, если нам нужно, чтобы наша программа одновременно работала над несколькими задачами, проще всего поручить каждую задачу отдельному потоку.

Время работы процессора разбивается на небольшие интервалы, обычно называемые квантами. Когда квант времени заканчивается, выполнение текущего потока приостанавливается, содержимое регистров процессора сохраняется в специальной области памяти, и он переключается на обработку следующего потока. Когда очередь снова дойдет до этого потока, содержимое регистров будет полностью восстановлено и работа потока продолжится так, как будто она вовсе и не прерывалась. Таким образом, переключение потоков происходит совершенно незаметно для них самих.

В зависимости от ситуации потоки могут находиться в трех состояниях:

1 состояние активности - поток может выполняться, когда ему выделено процессорное время;

2 состояние готовности - поток неактивен и ожидает выделения процессорного времени;

3 состояние блокировки - когда поток заблокирован, ему вообще не выделяется время. Обычно блокировка ставится на время ожидания какого-либо события. При возникновении этого события поток автоматически переводится из состояния блокировки в состояние готовности.

Основные объекты потока:

Контекст потока (thread context) – это набор значений регистров процессора. Его можно получить функцией GetThreadContext (см. Приложение).

В стеке создаются и хранятся все локальные или автоматические переменные. При создании стека потока система зарезервирует регион адресного пространства. Поскольку у каждого потока свой стек, то у каждого потока имеется свой собственный экземпляр локальной переменной, доступный только ему. Время жизни локальной переменной ограничено, значит, нам придется проследить, чтобы чужой поток закончил работу с переменной до того, как текущий завершит функцию, в которой эта переменная определена и автоматически удалит ее.

Процесс – это набор потоков, работающих в едином адресном пространстве. В этом пространстве размещаются код и данные приложения (обычно это один exe- и несколько dll-модулей). Именно единство этого пространства и делает обмен данными между потоками приложения предельно простым. Один и тот же виртуальный адрес в разных процессах соответствует разным физическим адресам. Поэтому по одному и тому же виртуальному адресу в разных процессах могут находиться совершенно разные данные, при этом модификация данных в одном процессе никак не отразится на данных в другом. В первую очередь это сделано для повышения надежности всей системы, чтобы ошибка в одном приложении не могла привести к порче данных, принадлежащих другому.

Заслуживающим внимания моментом является способ организации очередности потоков. Можно было бы, конечно, обрабатывать все потоки по очереди, но такой способ далеко не самый эффективный. Гораздо разумнее оказалось ранжировать все потоки по приоритетам. Приоритет потока обозначается числом от 0 до 31, и определяется исходя из приоритета процесса, породившего поток, и относительного приоритета самого потока. Таким образом, достигается наибольшая гибкость, и каждый поток в идеале получает столько времени, сколько ему необходимо.

Иногда приоритет потока может изменяться динамически. Так интерактивные потоки, имеющие обычно класс приоритета Normal, система обрабатывает несколько иначе и несколько повышает фактический приоритет таких потоков, когда процесс, их породивший, находится на переднем плане. Это сделано для того, чтобы приложение, с которым в данный момент работает пользователь, быстрее реагировало на его действия.

3 Синхронизация потоков

3.1 необходимость синхронизации

Итак, в Windows выполняются не процессы, а потоки. При создании процесса автоматически создается его основной поток. Этот поток в процессе выполнения может создавать новые потоки, которые, в свою очередь, тоже могут создавать потоки и т.д. Процессорное время распределяется именно между потоками, и получается, что каждый поток работает независимо.

Все потоки, принадлежащие одному процессу, разделяют некоторые общие ресурсы - такие, как адресное пространство оперативной памяти или открытые файлы. Эти ресурсы принадлежат всему процессу, а значит, и каж

дому его потоку. Следовательно, каждый поток может работать с этими ресурсами без каких-либо ограничений.

В Windows реализована вытесняющая многозадачность — это значит, что в любой момент система может прервать выполнение одного потока и передать управление другому. Раньше использовался способ организации, называемый кооперативной многозадачностью. Система ждала, пока поток сам не соизволит передать ей управление. Именно поэтому в случае глухого зависания одного приложения приходилось перезагружать компьютер. Если один поток еще не закончил работать с каким-либо общим ресурсом, а система переключилась на другой поток, использующий тот же ресурс, то произойдет конфликт, и результат работы этих потоков может чрезвычайно сильно отличаться от задуманного. Такие конфликты могут возникнуть и между потоками, принадлежащими различным процессам. Всегда, когда два или более потоков используют какой-либо общий ресурс, возникает эта проблема. Именно поэтому необходим механизм, позволяющий потокам согласовывать свою работу с общими ресурсами. Этот механизм получил название механизма синхронизации потоков.

3.2 Механизм синхронизации и ее объекты

Синхронизация – согласование скоростей паралельно выполняющихся процессов.

Механизм - это набор объектов операционной системы, которые создаются и управляются программно, являются общими для всех потоков в системе и используются для координирования доступа к ресурсам. В качестве ресурсов может выступать все, что может быть общим для двух и более потоков - файл на диске, порт, запись в базе данных и т.д.

1 взаимоисключение (mutex);

2 критическая секция (critical section);

3 событие (event) ;

4 семафор (semaphore).

Взаимоисключения (мьютексы) позволяют координировать взаимное исключение доступа к разделяемому ресурсу. Сигнальное состояние объекта (т.е. состояние "установлен") соответствует моменту времени, когда объект не принадлежит ни одному процессу и его можно "захватить". И наоборот, состояние "сброшен" (не сигнальное) соответствует моменту, когда какой-либо процесс уже владеет этим объектом. Доступ к объекту разрешается, когда процесс, владеющий объектом, освободит его.

Два (или более) процесса могут создать мьютекс с одним и тем же именем, вызвав функцию CreateMutex (см. Приложение). Первый процесс действительно создает мьютекс, а следующие - получают дескриптор уже существующего объекта. Это дает возможность нескольким процессам получить дескриптор одного и того же мьютекса, освобождая программиста от необходимости заботиться о том, кто в действительности создает мьютекс.

Критическая секция помогает программисту выделить участок кода, где поток получает доступ к разделяемому ресурсу, и предотвратить одновременное использование ресурса. Перед использованием ресурса поток входит в критическую секцию (вызывает функцию EnterCriticalSection (см. Приложение)). Если после этого какой-либо другой поток попытается войти в ту же самую критическую секцию, его выполнение приостановится, пока первый поток не покинет секцию с помощью вызова LeaveCriticalSection (см. Приложение). Похоже на взаимоисключение, но используется только для потоков одного процесса.

Существует также функция TryEnterCriticalSection (см. Приложение), которая проверяет, занята ли критическая секция в данный момент. С ее помощью поток в процессе ожидания доступа к ресурсу может не блокироваться, а выполнять какие-то полезные действия.

События используются для уведомления ожидающих потоков о наступлении какого-либо события. Различают два вида событий - с ручным и автоматическим сбросом. Ручной сброс осуществляется функцией ResetEvent (см. Приложение). События с ручным сбросом используются для уведомления сразу нескольких потоков. При использовании события с автосбросом уведомление получит и продолжит свое выполнение только один ожидающий поток, остальные будут ожидать дальше. Функция CreateEvent (см. Приложение) создает объект-событие, SetEvent (см. Приложение) - устанавливает событие в сигнальное состояние, ResetEvent сбрасывает событие. Функция PulseEvent (см. Приложение) устанавливает событие, а после возобновления ожидающих это событие потоков (всех при ручном сбросе и только одного при автоматическом), сбрасывает его. Если ожидающих потоков нет, PulseEvent просто сбрасывает событие.

Семафор - это фактически объект-взаимоисключение со счетчиком. Данный объект позволяет "захватить" себя определенному количеству потоков. После этого "захват" будет невозможен, пока один из ранее "захвативших" семафор потоков не освободит его. Семафоры применяются для ограничения количества потоков, одновременно работающих с ресурсом. Объекту при инициализации передается максимальное число потоков, после каждого "захвата" счетчик семафора уменьшается. Сигнальному состоянию соответствует значение счетчика больше нуля. Когда счетчик равен нулю, семафор считается не установленным (сброшенным).

Каждый из объектов может находиться в так называемом сигнальном состоянии. Для каждого типа объектов это состояние имеет различный смысл. Потоки могут проверять текущее состояние объекта и/или ждать изменения этого состояния и таким образом согласовывать свои действия. Что еще очень важно - гарантируется, что когда поток работает с объектами синхронизации (создает их, изменяет состояние) система не прервет его выполнения, пока он не завершит это действие. Таким образом, все конечные операции с объектами синхронизации являются атомарными (неделимыми), как бы выполняющимися за один такт. Важно понимать, что никакой реальной связи между объектами синхронизации и ресурсами нет. Они не смогут предотвратить нежелательный доступ к ресурсу, они лишь подсказывают потокам, когда можно работать с ресурсом, а когда нужно подождать. Можно провести грубую аналогию со светофорами - они показывают, когда можно ехать, но ведь в принципе водитель может и не обратить внимания на красный свет.

Подсистема управления процессами и потоками вычислительной системы. Формирование новых символов для матричного принтера, разработка команд для загрузки символов в оперативную память принтера и программы, реализующей процесс печати заданных символов.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	23.06.2011
Размер файла	201,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Кафедра защиты информации

по дисциплине: Безопасность операционных систем

Ставрополь, 2011

1. Теоретическая часть

1.1 Планирование процессов и потоков

1.3 Создание процессов и потоков

1.4 Планирование и диспетчеризация потоков

1.5 Состояние потока

2. Аналитическая часть

2.1 Общие сведения о матричных принтерах

2.2 Проектирование символов для матричных принтеров

Список используемой литературы

При работе на персональном компьютере зачастую необходимо осуществление вывода результатов работы программ на бумажный носитель при помощи печатающих устройств (принтеров) различных конструкций. Принтеры бывают матричными, струйными, лазерными, отдельно выделяют фотопринтеры. Несмотря на существенные недостатки, такие как низкая скорость печати, высокий уровень шума при работе, низкое качество печати и, как правило, невозможность печатать в цвете, до сих пор широкое применение находят матричные принтеры, что обусловлено невысокой стоимостью, как самих принтеров, так и расходных материалов к ним, простотой эксплуатации и высокой надежностью в работе. Кроме того, с помощью матричных принтеров можно печатать практически на любой бумаге.

Как правило, для обеспечения возможности использования принтера в прикладных пакетах используются специально разработанные программы управления (драйверы). Такие программы осуществляют операции по преобразованию данных и выводу их на принтер.

Для разработки подобного рода программ необходимо знать сам язык управления принтером - набор команд, специфических для конкретного принтера. Команды управления принтером позволяют задать размер символов, воспроизводимых при печати, расстояние между строками текста, начертание отдельных литер и другие параметры.

Целью курсовой работы является ознакомление с приемами управления работой печатающих устройств в MS-DOS.

Задачей курсовой работы является формирование новых символов для матричного принтера, разработка команд для загрузки символов в оперативную память принтера и программы, реализующей процесс печати заданных символов.

принтер символ поток вычислительный

Планирование процессов и потоков

Виртуальное адресное пространство процесса -- это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной системе, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи -- конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.

Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса. А такая необходимость может возникать. Действительно, при мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов только замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса). Однако приложение, выполняемое в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который в принципе мог бы позволить ускорить его решение. Если, например, в программе предусмотрено обращение к внешнему устройству, то на время этой операции можно не блокировать выполнение всего процесса, а продолжить вычисления по другой ветви программы. Параллельное выполнение нескольких работ в рамках одного интерактивного приложения повышает эффективность работы пользователя. Так, при работе с текстовым редактором желательно иметь возможность совмещать набор нового текста с такими продолжительными по времени операциями, как переформатирование значительной части текста, печать документа или его сохранение на локальном или удаленном диске. Еще одним примером необходимости распараллеливания является сетевой сервер баз данных. В этом случае параллелизм желателен как для обслуживания различных запросов к базе данных, так и для более быстрого выполнения отдельного запроса за счет одновременного просмотра различных записей базы. Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Во-первых, прикладной программист может взять на себя сложную задачу организации параллелизма, выделив в приложении некоторую подпрограмму- диспетчер, которая периодически передает управление той или иной ветви вычислений. При этом программа получается логически весьма запутанной, с многочисленными передачами управления, что существенно затрудняет ее отладку и модификацию.

Во-вторых, решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что эти процессы решают единую задачу, а значит, имеют много общего между собой -- они могут работать с одними и теми же данными, использовать один и тот же кодовый сегмент, наделяться одними и теми же правами доступа к ресурсам вычислительной системы. Так, если в примере с сервером баз данных создавать отдельные процессы для каждого запроса, поступающего из сети, то все процессы будут выполнять один и тот же программный код и выполнять поиск в записях, общих для всех процессов файлов данных. А операционная система при таком подходе будет рассматривать эти процессы наравне со всеми остальными процессами и с помощью универсальных механизмов обеспечивать их изоляцию друг от друга. В данном случае все эти достаточно громоздкие механизмы используются явно не по назначению, выполняя не только бесполезную, но и вредную работу, затрудняющую обмен данными между различными частями приложения. Кроме того, на создание каждого процесса ОС тратит определенные системные ресурсы, которые в данном случае неоправданно дублируются -- каждому процессу выделяются собственное виртуальное адресное пространство, физическая память, закрепляются устройства ввода-вывода и т. п.

Заметим, что в однопрограммных системах не возникает необходимости введения понятия, обозначающего единицу работы, так как там не существует проблемы разделения ресурсов.

Наибольший эффект от введения многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки, в том числе и принадлежащие одному процессу, могут выполняться на разных процессорах действительно параллельно (а не псевдопараллельно).

Создание процессов и потоков

Создать процесс -- это прежде всего означает создать описатель процесса, в качестве которого выступает одна или несколько информационных структур, содержащих все сведения о процессе,, необходимые операционной системе для управления им. В число таких сведений могут входить, например, идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т. п. Примерами описателей процесса являются блок управления задачей (ТСВ -- Task Control Block) в OS/360, управляющий блок процесса (РСВ -- Process Control Block) в OS/2, дескриптор процесса в UNIX, объект-процесс (object-process) в Windows NT.

Таким образом, в UNIX порождение нового процесса происходит в два этапа -- сначала создается копия процесса-родителя, затем у нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный. Вновь созданному процессу операционная система присваивает целочисленный идентификатор, уникальный на весь период функционирования системы.

Планирование и диспетчеризация потоков

На протяжении существования процесса выполнение его потоков может быть многократно прервано и продолжено. (В системе, не поддерживающей потоки, все сказанное ниже о планировании и диспетчеризации относится к процессу в целом.)

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием. Планирование потоков осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков. При планировании могут приниматься во внимание приоритет потоков, время их ожидания в очереди, накопленное время выполнения, интенсивность обращений к вводу-выводу и другие факторы. ОС планирует выполнение потоков независимо от того, принадлежат ли они одному или разным процессам. Так, например, после выполнения потока некоторого процесса ОС может выбрать для выполнения другой поток того же процесса или же назначить к выполнению поток другого процесса.

Планирование потоков, по существу, включает в себя решение двух задач:

определение момента времени для смены текущего активного потока;

выбор для выполнения потока из очереди готовых потоков.

Диспетчеризация сводится к следующему:

сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

запуск нового потока на выполнение.

Поскольку операция переключения контекстов существенно влияет на производительность вычислительной системы, программные модули ОС выполняют диспетчеризацию потоков совместно с аппаратными средствами процессора. В контексте потока можно выделить часть, общую для всех потоков данного процесса (ссылки на открытые файлы), и часть, относящуюся только к данному потоку (содержимое регистров, счетчик команд, режим процессора). Например, в среде NetWare 4.x различаются три вида контекстов: глобальный контекст (контекст процесса), контекст группы потоков и контекст отдельного потока. Соотношение между данными этих контекстов напоминает соотношение глобальных и локальных переменных в программе, написанной на языке С. Переменные глобального контекста доступны для всех потоков, созданных в рамках одного процесса. Переменные локального контекста доступны только для кодов определенного потока, аналогично локальным переменным функции. В NetWare можно создавать несколько групп потоков внутри одного процесса и эти группы будут иметь свой групповой контекст. Переменные, принадлежащие групповому контексту, доступны всем потокам, входящим в группу, но недоступны остальным потокам. Очевидно, что такая иерархическая организация контекстов ускоряет переключение потоков, так как при переключении с потока на поток в пределах одной группы нет необходимости заменять контексты групп или глобальные контексты, достаточно лишь заменить контексты потоков, которые имеют меньший объем. Аналогично при переключении с потока одной группы на поток другой группы в пределах одного процесса глобальный контекст не изменяется, а изменяется лишь контекст группы. Переключение же глобальных контекстов происходит только при переходе с потока одного процесса на поток другого процесса.

В различных ОС можно встретить компоненты ОС, имеющие названия планировщик (scheduler) или диспетчер (dispatcher). He следует однозначно судить о функциональном назначении этих компонентов по их названиям, то есть считать, что планировщик выполняет планирование, а диспетчер -- диспетчеризацию в том смысле, в котором эти функции были определены выше. Чаще всего то и другое названия используются для обозначения компонентов, которые занимаются планированием.

ОС выполняет планирование потоков, принимая во внимание их состояние. В мультипрограммной системе поток может находиться в одном из трех основных состояний:

выполнение -- активное состояние потока, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

готовность -- также пассивное состояние потока, но в этом случае поток заблокирован в связи с внешним по отношению к нему обстоятельством (имеет все требуемые для него ресурсы, готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого потока).

Состояния выполнения и ожидания могут быть отнесены и к задачам, выполняющимся в однопрограммном режиме, а вот состояние готовности характерно только для режима мультипрограммирования.

Рис. 4.3. Граф состояний потока в многозадачной среде

В состоянии выполнения в однопроцессорной системе может находиться не более одного потока, а в каждом из состояний ожидания и готовности -- несколько потоков. Эти потоки образуют очереди соответственно ожидающих и готовых потоков. Очереди потоков организуются путем объединения в списки описателей отдельных потоков. Таким образом, каждый описатель потока, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой описатель, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать потоки, переводить потоки из одного состояния в другое. Если предположить, что на рис. 4.4 показана очередь готовых потоков, то запланированный порядок выполнения выглядит так: А, В, Е, D, С.

Рис. 4.4. Очередь потоков

2. Аналитическая часть

2.1 Общие сведения о матричных принтерах

Матричный принтер (Dot-Matrix-Printer) -- старейший из ныне применяемых типов принтеров, был изобретён в 1964 году корпорацией Seiko Epson..

Принцип работы матричного принтера следующий. Изображение формируется с помощью печатающей головки, которая представляет собой один или два ряда вертикально расположенных тонких иголок (игольчатая матрица), приводимых в действие электромагнитами. Головка устанавливается на ракетке и передвигается построчно вдоль листа, при этом иголки в нужный момент времени ударяют через красящую ленту по бумаге, формируя точечное изображение. Этот тип принтеров называется SIDM (англ. Serial Impact Dot Matrix -- последовательные ударно-матричные принтеры).

Существуют принтеры с 9, 12, 14, 18 и 24 иголками в головке. Основное распространение получили 9-ти (дешевые модели) и 24-х игольчатые принтеры. Качество печати и скорость графической печати зависят от числа иголок: больше иголок -- больше точек. Качество печати в 9-ти игольчатых принтерах улучшается при печати информации не в один, а в два или четыре прохода печатающей головки вдоль печатаемой строки. Более качественная и быстрая печать обеспечивается 24-игольчатыми принтерами, называемыми LQ (англ. Letter Quality -- качество пишущей машинки). Однако эти принтеры не только более дорогостоящи, но и менее надежны, а также замена вышедших из строя печатающих головок представляет определенные трудности.

Существуют монохромные пятицветные матричные принтеры, в которых используется 4 цветная CMYK лента. Смена цвета производится смещением ленты вверх-вниз относительно печатающей головки.

Для перемещения красящей ленты используется передаточный механизм, использующий движение каретки. За перемещение каретки отвечает шаговой двигатель. Еще один шаговой двигатель отвечает за перемещение бумагоопорного валика. Именно поэтому скорость печати матричных принтеров невысока. В зависимости от выбранного качества печати и модели принтера скорость печати составляет от 10 до 60 секунд на страницу. Скорость печати матричных принтеров измеряется в CPS (англ. characters per second -- символах в секунду).

Матричные принтеры оборудованы внутренней памятью (буфером) для хранения данных, полученных от персонального компьютера. Объем памяти недорогих принтеров составляет от 4 до 64 Кбайт. Хотя существуют модели, имеющие и больший объем памяти (например, Seikosha SP-2415 имеет буфер размером 175 Кбайт).

2.2 Проектирование символов для матричных принтеров

Матричные принтеры поставляются с несколькими типовыми начертаниями символов (прямое, полужирное, наклонное) и несколькими вариантами литер (престиж, оратор, скрипт и пр.). позволяющих воспроизводить тексты с латинским алфавитом. Такие шрифты называют встроенными.

Описание встроенных шрифтов хранится в постоянном запоминающем устройстве принтера и в любой момент доступно для применения. Однако не всегда стандартный набор символов достаточен для воспроизведения нужного текста. Особенно это характерно для документов специализированного характера, требующих некоторых специфических знаков (например, символов русского или других национальных алфавитов, условные обозначения географических элементов, знаков диаграмм шахматных позиций и т.п.). Для этих случаев в системе команд принтера предусматривается возможность конструирования недостающих символов, сохранения их в оперативной памяти принтера и воспроизведения в момент печати. Шрифты подобного вида называют загружаемыми.

Загружаемые шрифты становятся доступными только после размещения их описания в оперативную памяти принтера н могут воспроизводиться только до конца текущего сеанса (до выключения питания принтера) или до момента загрузки в оперативную память принтера описания другого шрифта.

Проектирование и воспроизведение произвольных литер состоит нз следующих этапов:

1. Сначала изображается кривая, образующую литеру.

2. Далее рассчитываются данные, необходимые для описания кривой.

3. Затем эти данные посылаются в оперативную память принтера для связи описание символа с определенным кодом.

4. Принтеру дается команда напечатать данную литеру вместо той, которую он воспроизводит в соответствии с описанием для этого же кода из постоянной памяти.

Рассмотрим механизм формирования символов на примере принтера Epson LX1050. Этот матричный принтер имеет печатающую головку с 24 иголками и может воспроизводить символы в нескольких режимах. В каждом из режимов допускается конструирование символов с помощью матриц различной ширины и высоты (таблица 2). Минимальная ширина символов - 5.

В разных ОС процессы реализованы по-разному. Они различаются своим представлением (структурами данных), способами именования и защиты, а также отношениями между собой. Базовые процессы Windows имеют ряд характеристик, отличающих их от процессов других ОС:
процессы реализованы как объекты, и доступ к ним осуществляется посредством объектных сервисов;
в адресном пространстве процесса может исполняться несколько потоков;
объект-процесс и объект-поток имеют встроенные возможности синхронизации.

Содержание работы

Файлы: 1 файл

Реферат ОС.docx

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Ф. М. Достоевского

Реферат

Выполнила:

Студентка 3-го курса

гр. СИБ-301У

Плотникова Т.М.

2016 г.
Содержание

Структура ОС Windows…………………………………………………
Подсистема Win32………………………………………………………
Объекты ядра…………………………………………………………
Процессы и потоки в ОС Windows………………………………………..

В однозадачной ОС пользователь может запустить одновременно не более одной программы и только после того как она закончит работу можно будет запустить другую. В многозадачной ОС пользователи могут одновременно запускать несколько программ или даже несколько копий одной программы.

В чем разница между программой и процессом? Программа – это статическая последовательность команд, а процесс – это программа и системные ресурсы, необходимые для ее выполнения. Процесс является субъектом владения ресурсами и единицей работы. ОС выделяет каждому процессу порцию системных ресурсов и гарантирует, что программа каждого процесса будет направляться на исполнение в определенном порядке и своевременно.

ОС содержит блок кода, управляющий созданием и удалением процессов, а также отношениями между ними. Этот код называется структурой процессов и в ОС Windows реализован диспетчером процессов. Его основная задача предоставить набор базовых сервисов процесса, которые подсистемы среды могли бы использовать для эмуляции своих собственных уникальных структур процессов.[1]

В разных ОС процессы реализованы по-разному. Они различаются своим представлением (структурами данных), способами именования и защиты, а также отношениями между собой. Базовые процессы Windows имеют ряд характеристик, отличающих их от процессов других ОС:

процессы реализованы как объекты, и доступ к ним осуществляется посредством объектных сервисов;

в адресном пространстве процесса может исполняться несколько потоков;

объект-процесс и объект-поток имеют встроенные возможности синхронизации.

Рис 1. Структура ОС Windows

Первые версии системы имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach, которое было разработано в университете Каренги-Меллона. Архитектура более поздних версий системы микроядерной уже не является.

Большой объем системного кода (управление системными вызовами и экранная графика) был перемещен из адресного пространства пользователя в пространство ядра и работает в привилегированном режиме.

Рис 2. Структура ОС Windows

Рис 3. Подсистема Win32

Основные компоненты Win 32:

Ntoskrnl.exe – исполнительная система и ядро;
Ntdll.dll – внутренние функции поддержки и интерфейсы диспетчера системных сервисов с функциями исполнительной системы;
Hal.dll – уровень абстрагирования от оборудования;
Win32k.sys – часть подсистемы Win32, работающая в режиме ядра;
Kernel32.dll, advapi32.dll, user32.dll, gdi32.dll – основные dll подсистемы win32.

При вызове приложением одной из win32 –функций может возникнуть одна из трех ситуаций:

Для работы с важными системными ресурсами ОС Windows создает объекты, управление которыми осуществляет менеджер объектов.

- ядро поддерживает базовые объекты двух типов: объекты диспетчера (события, мьютексы, семафоры, потоки ядра, таймеры и др.) и управляющие (DPC, APC, прерывания, процессы, профили и др.)

- Над объектами ядра находятся объекты исполнительной системы, каждый из которых инкапсулирует один или более объектов ядра. Объекты исполнительной системы предназначены для управления памятью, процессами и межпроцессроным обменом. К ним относятся такие объекты, как: процесс, поток, открытый файл, семафор, мьютекс, маркер доступа и ряд других. Эти объекты и называются объектами ядра в руководствах по программированию.[2]

Процесс является динамическим объектом, описывающим выполнение программы. Процессу выделяются системные ресурсы: закрытое адресное пространство, семафоры, коммуникационные порты, файлы и т.д. Процесс характеризуется текущим состоянием (выполнение, ожидание, готовность и т.д.).

Задача ОС состоит в том, чтобы организовать их поддержку, которая подразумевает, что каждый процесс получит все необходимые ему ресурсы.

Независимые процессы не должны влиять друг на друга, а процессы, которым необходимо обмениваться информацией, должны иметь возможность сделать это путем межпроцессного взаимодействия.

В Windows процесс – это объект, создаваемый и уничтожаемый менеджером объектов. Процесс содержит потоки, учетную информацию и ссылки на ресурсы, которые обобществляются всеми потоками процесса.

Процесс в Windows состоит из следующих компонентов:

- структура данных, содержащая всю информацию о процессе, в том числе список открытых дескрипторов различных системных ресурсов, уникальный идентификатор процесса, различную статистическую информацию и т.д.;

- адресное пространство - диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс;

- исполняемая программа и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.

Поток — некая сущность внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения. Без потока программа процесса не может выполняться. Поток включает следующие наиболее важные элементы:

- содержимое набора регистров процессора, отражающих состояние процессора;

- два стека, один из которых используется потоком при выполнении в режиме ядра, а другой — в пользовательском режиме;

- закрытую область памяти, называемую локальной памятью потока и используемую подсистемами, библиотеками исполняющих систем и DLL;

- уникальный идентификатор потока;

- иногда потоки обладают своим контекстом защиты, который обычно используется многопоточными серверными приложениями, подменяющими контекст защиты обслуживаемых клиентов.

Выбор текущего потока из нескольких активных потоков, пытающихся получить доступ к процессору называется планированием.

Выбранный для выполнения поток работает в течение некоего периода, называемого квантом, по истечении которого поток вытесняется. Предполагается, что поток не знает, в какой момент он будет вытеснен. Поток также может быть вытеснен даже, если его квант еще не истек.

Процедура планирования обычно связана с весьма затратной процедурой диспетчеризации - переключением процессора на новый поток, поэтому планировщик должен заботиться об эффективном использовании процессора. Принадлежность потоков к процессу при планировании не учитывается, то есть единицей планирования в ОС Windows является именно поток.[2]

Создание Win32 процесса осуществляется вызовом одной из таких функций, как CreateProcess, CreateProcessAsUser и CreateProcessWithLogonW и происходит в несколько этапов:

- Открывается файл образа (EXE), который будет выполняться в процессе. Если исполняемый файл не является Win32 приложением, то ищется образ поддержки для запуска этой программы. Например, если исполняется файл с расширением .bat, запускается cmd.exe и т.п.

- Подсистема Win32 уведомляется о создании нового процесса и нити.

- Начинается выполнение первичной нити.

- В контексте нового процесса и потока инициализируется адресное пространство и начинается выполнение программы.

Сервисы процесса и потока в Windows (Таблица 1)

Создание процесса CreateProcess().

Создание потока CreateThread().

Открытие процесса OpenProcess().

Открытие потока OpenThread()

Информация по запросу процесса

Информация по запросу потока

Информация по наладке процесса

Информация по наладке потока

Текущий процесс GetCurrentProcessID()

Текущий поток GetCurrentThreadID()

Прекращение процесса ExitProcess()

Завершение потока ExitThread()

Проверка извещения потока

Порт регистрации завершения.

Основной функцией для управления процессом win32 является функция CreateProcess(). Она создаёт процесс с одним потоком. Так как процесс требует наличие кода, то в вызове функции CreateProcess() необходимо указывать имя исполняемого файла программы. Функция имеет 10 параметров и при успешном выполнении возвращает дескрипторы для процесса и для первичного потока. Дополнительные потоки можно создать функцией CreateThread(). Для Windows все процессы одинаковы, и она не различает дочерние и родительские, в отличие от Unix.

Жизненный цикл потока в Windows (Рис. 4) проходит следующие шесть состояний [3]:

Готовый к выполнению: это поток, который может быть направлен на выполнение, у него есть все необходимые ресурсы кроме процессорного времени. Диспетчер микроядра отслеживает, все готовые потоки и осуществляет их планирование в соответствии с их приоритетом.

Резервный это поток, который будет запущен следующим на данном процессоре. Поток находится в этом состоянии до тех пор, пока процессор не освободится. Если приоритет резервного потока достаточно высок, то он может вытеснить выполняющийся в данный момент поток, иначе он ждёт, пока не произойдёт блокировка выполняющегося потока или пока не истечёт выделенный ему квант времени.

Рис. 4. Жизненный путь потока в Windows

Выполняющийся: как только микроядро переключит поток, резервный поток перейдёт в состояние выполнения и будет в нём находится, пока не произойдёт одно из событий: поток будет вытеснен более приоритетным потоком, если закончится квант времени, будет блокирован или завершён.

Ожидающее: поток входит в состояние ожидания, если он блокирован каким-либо событием (например, операцией ввода/вывода); он добровольно ждёт синхронизации; среда подсистемы предписывает потоку, чтобы он сам себя остановил. После удовлетворения условий ожидания, поток переходит в состояние готовности, если все его ресурсы доступны.

Переходное: поток готов к выполнению, но не все ресурсы необходимые ему для работы доступны. При доступности всех ресурсов он переходит в состояние готовности.

Процесс завершается если:

- Одна из нитей процесса вызвала функцию ExitProcess.

- Нить другого процесса вызвала функцию TerminateProcess.

Когда процесс завершается, все User- и GDI_объекты, созданные процессом, уничтожаются, объекты ядра закрываются (если их не использует другой процесс), адресное пространство процесса уничтожается.[5]

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Университет Российской Академии Образования, факультет информационных технологий
Реферат

выполнил : Белоусов Антон,

студент 5-го курса
Москва, 2010

Процесс в операционной системе

Необходимость процессов и потоков

Ключевое требование к большинству современных ОС – мультипрограммирование, или многозадачность: способность одновременно или попеременно выполнять несколько программ, совместно использующих не только процессор, но и другие ресурсы компьютера: оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода, данные.

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы – процесс (задача) и поток (нить). Несколько вариантов названий обусловлено различиями в культурах разработчиков разных операционных систем, по-разному называющих одни и те же сущности.

Процесс - более крупная единица работы задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ - потоков.

Процесс и поток – понятия и свойства

Любая работа вычислительной системы заключается в выполнении некоторого программного кода. Чтобы этот программный код мог быть выполнен, его необходимо загрузить в оперативную память, возможно, выделить некоторое место на диске для хранения данных, предоставить доступ к устройствам ввода-вывода, например к последовательному порту для получения данных по подключенному к этому порту модему; и т. д. В ходе выполнения программе может также понадобиться доступ к информационным ресурсам, например файлам, портам TCP/UPD, семафорам. И для выполнения программы необходимо предоставление ей процессорного времени, то есть времени, в течение которого процессор выполняет коды данной программы.

В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного — процессорного времени. Этот последний важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы — потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.

Для того чтобы процессы не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также не могли повредить коды и данные друг друга, важнейшей задачей ОС является изоляция одного процесса от другого. Для этого операционная система обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.

Виртуальное адресное пространство процесса — это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

При необходимости взаимодействия процессы обращаются к операционной системе, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи — конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Во-вторых, решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что эти процессы решают единую задачу, а значит, имеют много общего между собой — они могут работать с одними и теми же данными, использовать один и тот же кодовый сегмент, наделяться одними и теми же правами доступа к ресурсам вычислительной системы. Так, если в примере с сервером баз данных создавать отдельные процессы для каждого запроса, поступающего из сети, то все процессы будут выполнять один и тот же программный код и выполнять поиск в записях, общих для всех процессов файлов данных. А операционная система при таком подходе будет рассматривать эти процессы наравне со всеми остальными процессами и с помощью универсальных механизмов обеспечивать их изоляцию друг от друга. В данном случае все эти достаточно громоздкие механизмы используются явно не по назначению, выполняя не только бесполезную, но и вредную работу, затрудняющую обмен данными между различными частями приложения. Кроме того, на создание каждого процесса ОС тратит определенные системные ресурсы, которые в данном случае неоправданно дублируются — каждому процессу выделяются собственное виртуальное адресное пространство, физическая память, закрепляются устройства ввода-вывода и т. п.

Итоговые определения

Для систем, использующих обе концепции – и потока, и процесса:

Процесс – единица активности операционной системы, создаваемая при запуске программы на выполнение, и обладающая свойствами:

· Отдельное виртуальное адресное пространство

· Код выполняемой программы, загруженный в адресное пространство процесса

· Начальные параметры запуска – аргументы запуска, рабочую папку и т.п.

· Набор привилегий на доступ к системным ресурсам и вызовам

· Текущее состояние, включая статус процесса

· Набор потоков, выполняющих код программы в адресном пространстве процесса, имеющих доступ к общим ресурсам процесса

Поток – единица активности операционной системы, создаваемая при запуске процесса системой или программно из другого потока того же процесса, обладающая свойствами:

· Счетчик команд – указатель на текущую выполняемую команду

· Регистры – значения регистров процессора в текущий момент времени

Для конкретной операционной системы определение процесса может быть лаконичнее, так как опирается на конкретные механизмы этой системы, например:

Unix использует два системно- ориентированных определения процесса:

Процесс – объект, порожденный системным вызовом fork()

Для систем, не поддерживающих параллельное выполнение средствами потоков, каждый процесс фактически имеет один поток, и понятия потока и процесса объединены.

Для систем, не поддерживающих многозадачность, необходимость в понятии процесса отпадает – одновременно может быть запущена только одна программа, и нет необходимости в разделении запущенных программ и их свойств.

Эффективность концепции потоков для параллельных вычислений
Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов, чем процессов. В отличие от процессов, которые принадлежат разным, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, нежели процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу процесса, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками одного процесса нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам вовсе не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память — один поток записывает данные, а другой читает их. С другой стороны, потоки разных процессов по-прежнему хорошо защищены друг от друга.

Итак, мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не процессов. Каждый поток имеет собственный счетчик команд и стек. Задача, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет псевдопараллельного (или параллельного в мультипроцессорной системе) выполнения ее отдельных частей. Например, если электронная таблица была разработана с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа и одновременно продолжать заполнять таблицу. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений, например, многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов.

Создание процессов и потоков

Создать процесс — это прежде всего означает создать описатель процесса, в качестве которого выступает одна или несколько информационных структур, содержащих все сведения о процессе,, необходимые операционной системе для управления им. В число таких сведений могут входить, например, идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т. п. Примерами описателей процесса являются блок управления задачей (ТСВ — Task Control Block) в OS/360, управляющий блок процесса (РСВ — Process Control Block) в OS/2, дескриптор процесса в UNIX, объект-процесс (object-process) в Windows NT.

Создание описателя процесса – это появление в системе еще одного претендента на вычислительные ресурсы. Начиная с этого момента при распределении ресурсов ОС должна принимать во внимание потребности нового процесса.

Во многих системах поток может обратиться к ОС с запросом на создание так называемых потоков-потомков. В разных ОС по-разному строятся отношения между потоками-потомками и их родителями. Например, в одних ОС выполнение родительского потока синхронизируется с его потомками, в частности после завершения родительского потока ОС может снимать с выполнения всех его потомков. В других системах потоки-потомки могут выполняться асинхронно по отношению к родительскому потоку. Потомки, как правило, наследуют многие свойства родительских потоков. Во многих системах порождение потомков является основным механизмом создания процессов и потоков.

Создание процессов на примере

В качестве примера возьмем создание процессов в операционной системе UNIX System V Release 4. В этой системе потоки не поддерживаются, в качестве единицы управления и единицы потребления ресурсов выступает процесс.

При управлении процессами операционная система использует два основных типа информационных структур: дескриптор процесса и контекст процесса. Дескриптор процесса содержит такую информацию о процессе, которая необходима ядру в течение всего жизненного цикла процесса независимо от того, находится он в активном или пассивном состоянии, находится образ процесса в оперативной памяти или выгружен на диск. (Образом процесса называется совокупность его кодов и данных.)

Дескрипторы отдельных процессов объединены в список, образующий таблицу процессов. Память для таблицы процессов отводится динамически в области ядра. На основании информации, содержащейся в таблице процессов, операционная система осуществляет планирование и синхронизацию процессов. В дескрипторе прямо или косвенно (через указатели, на связанные с процессом структуры) содержится информация о состоянии процесса, о расположении образа процесса в оперативной памяти и на диске, о значении отдельных составляющих приоритета, а также о его итоговом значении — глобальном приоритете, об идентификаторе пользователя, создавшего процесс, о родственных процессах, о событиях, осуществления которых ожидает данный процесс, и некоторая другая информация.

Контекст процесса содержит менее оперативную, но более объемную часть информации о процессе, необходимую для возобновления выполнения процесса с прерванного места: содержимое регистров процессора, коды ошибок выполняемых процессором системных вызовов, информация обо всех открытых данным процессом файлах и незавершенных операциях ввода-вывода и другие данные, характеризующие состояние вычислительной среды в момент прерывания. Контекст, так же как и дескриптор процесса, доступен только программам ядра, то есть находится в виртуальном адресном пространстве операционной системы, однако он хранится не в области ядра, а непосредственно примыкает к образу процесса и перемещается вместе с ним, если это необходимо, из оперативной памяти на диск.

Порождение процессов в системе UNIX происходит в результате выполнения системного вызова fork. ОС строит образ порожденного процесса являющийся точной копией образа породившего процесса, то есть дублируются дескриптор, контекст и образ процесса. Сегмент данных и сегмент стека родительского процесса копируются на новое место, образуя сегменты данных и стека процесса-потомка. Процедурный сегмент копируется только тогда, когда он не является разделяемым. В противном случае процесс-потомок становится еще одним процессом, разделяющим данный процедурный сегмент.

После выполнения системного вызова fork оба процесса продолжают выполнение с одной и той же точки. Чтобы процесс мог опознать, является он родительским процессом или процессом-потомком, системный вызов fork возвращает в качестве своего значения в породивший процесс идентификатор порожденного процесса, а в порожденный процесс — NULL. Типичное разветвление на языке С записывается так:

Таким образом, в UNIX порождение нового процесса происходит в два этапа — сначала создается копия процесса-родителя, затем у нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный.

Вновь созданному процессу операционная система присваивает целочисленный идентификатор, уникальный на весь период функционирования системы.

Завершение процесса

В большинстве операционных систем есть одни и те же варианты завершения процесса, различающиеся деталями реализации:

· Нормальное завершение процесса: завершение при достижении конца основной функции программы (разновидности main ), или при вызове системной функции выхода (например, exit в unix ).

· Принудительное завершение процесса: производится внешним процессом с помощью вызова соответствующей системной функции (например, системного вызова kill в unix ).

Результат завершения процесса

При завершении процесса освобождаются все системные ресурсы, занятые им – открытые файлы, память, и др. Соответственно, завершаются все потоки, принадлежащие процессу.

Резюме

Процессы и потоки – основополагающая концепция современных ОС, предоставляющая основу для решения любых вычислительных задач. В большинстве прикладных ОС эти понятия означают одно и то же, различаясь деталями реализации.

Использованная литература:

1. Э.Таненбаум, А.Вудхалл. Операционные системы. Разработка и реализация. 3-е издание.

2. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. Сетевые операционные системы. Учебник для ВУЗов.

3. И.В.Машечкин, А.Н.Терёхин. Операционные системы. Лекционный курс факультета ВМиК МГУ им. М.В.Ломоносова.

Читайте также: