Понятия «процесс» и «поток»

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Кафедра защиты информации Курсовая работа по дисциплине: Безопасность операционных систем Понятия «процесс» и «поток»

Ставрополь, 2011

Содержание Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Планирование процессов и потоков

1.2 Понятия «процесс» и «поток»

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

2.3 Проектирование символа «Е»

2.4 Проектирование символа «Ю»

Заключение

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 Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами и потоками, которая занимается их созданием и уничтожением, поддерживает взаимодействие между ними, а также распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами и потоками. Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное пользование или в совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые — динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система. Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, то возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например при обмене данными. Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта «гонок» (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок или других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов. Синхронизация потоков является одной из важных функций подсистемы управления процессами и потоками. Каждый раз, когда процесс завершается, ОС предпринимает шаги, чтобы «зачистить следы» его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Понятия «процесс» и «поток»

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. Более крупная единица работы, обычно носящая название процесса, или задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ, для обозначения которых используют термины «поток», или «нить».

Примечание При использовании этих терминов часто возникают сложности. Это происходит в силу нескольких причин. Во-первых, — специфика различных ОС, когда совпадающие по сути понятия получили разные названия, например задача (task) в OS/2, OS/360 и процесс (process) в UNIX, Windows NT, NetWare. Во-вторых, по мере развития системного программирования и методов организации вычислений некоторые из этих терминов получили новое смысловое значение, особенно это касается понятия «процесс», который уступил многие свои свойства новому понятию «поток». В-третьих, терминологические сложности порождаются наличием нескольких вариантов перевода англоязычных терминов на русский язык. Например, термин «thread» переводится как «нить», «поток», «облегченный процесс», «минизадача» и др. Далее в качестве названия единиц работы ОС будут использоваться термины «процесс» и «поток». В тех же случаях, когда различия между этими понятиями не будут играть существенной роли, они объединяются под обобщенным термином «задача».

Итак, в чем же состоят принципиальные отличия в понятиях «процесс» и «поток»?

Очевидно, что любая работа вычислительной системы заключается в выполнении некоторой программы. Поэтому и с процессом, и с потоком связывается определенный программный код, который для этих целей оформляется в виде исполняемого модуля. 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, конечно же, невозможно выполнение программы без предоставления 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. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX) и в таком же виде оно сохранилось в некоторых современных ОС. В таких системах понятие «поток» полностью поглощается понятием «процесс», то есть остается только одна единица работы и потребления ресурсов — процесс. Мультипрограммирование осуществляется в таких ОС на уровне процессов. 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.

Примечание 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 подпрограммудиспетчер, 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.

Из всего вышеизложенного, следует, что в операционной системе наряду с процессами нужен другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения. Для этих целей современные ОС предлагают механизм многопоточной обработки (multithreading). При этом вводится новая единица работы — поток выполнения, а понятие «процесс» в значительной степени меняет смысл. Понятию «поток» соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой. ОС распределяет процессорное время между потоками. Процессу ОС назначает адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками.

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

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. Использование потоков связано не только со стремлением повысить производительность системы за счет параллельных вычислений, но и с целью создания более читабельных, логичных программ.

Введение

нескольких потоков выполнения упрощает программирование. Например, в задачах типа «писатель-читатель» один поток выполняет запись в буфер, а другой считывает записи из него. Поскольку они разделяют общий буфер, не стоит их делать отдельными процессами. Другой пример использования потоков — управление сигналами, такими как прерывание с клавиатуры (del или break). Вместо обработки сигнала прерывания один поток назначается для постоянного ожидания поступления сигналов. Таким образом, использование потоков может сократить необходимость в прерываниях пользовательского уровня. В этих примерах не столь важно параллельное выполнение, сколь важна ясность программы.

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.

Создание описателя процесса знаменует собой появление в системе еще одного претендента на вычислительные ресурсы. Начиная с этого момента при распределении ресурсов ОС должна принимать во внимание потребности нового процесса. Создание процесса включает загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в оперативную память. Для этого ОС должна обнаружить местоположение такой программы на диске, перераспределить оперативную память и выделить память исполняемой программе нового процесса. Затем необходимо считать программу в выделенные для нее участки памяти и, возможно, изменить параметры программы в зависимости от размещения в памяти. В системах с виртуальной памятью в начальный момент может загружаться только часть кодов и данных процесса, с тем чтобы «подкачивать» остальные по мере необходимости. Существуют системы, в которых на этапе создания процесса не требуется непременно загружать коды и данные в оперативную память, вместо этого исполняемый модуль копируется из того каталога файловой системы, в котором он изначально находился, в область подкачки — специальную область диска, отведенную для хранения кодов и данных процессов. При выполнении всех этих действий подсистема управления процессами тесно взаимодействует с подсистемой управления памятью и файловой системой. В многопоточной системе при создании процесса ОС создает для каждого процесса как минимум один поток выполнения. При создании потока так же, как и при создании процесса, операционная система генерирует специальную информационную структуру — описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете, о состоянии потока и другую информацию. В исходном состоянии поток (или процесс, если речь идет о системе, в которой понятие «поток» не определяется) находится в приостановленном состоянии. Момент выборки потока на выполнение осуществляется в соответствии с принятым в данной системе правилом предоставления процессорного времени и с учетом всех существующих в данный момент потоков и процессов. В случае если коды и данные процесса находятся в области подкачки, необходимым условием активизации потока процесса является также наличие места в оперативной памяти для загрузки его исполняемого модуля. 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. Рассмотрим в качестве примера создание процессов в популярной версии операционной системы 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:

if (-fork ()) { действия родительского процесса }

else { действия порожденного процесса }

Идентификатор потомка может быть присвоен переменной, входящей в контекст родительского процесса. Так как контекст процесса наследуется его потомками, то потомки могут узнать идентификаторы своих «старших братьев», таким образом, сумма знаний наследуется при порождении и может быть распространена между родственными процессами. На независимости идентификатора процесса от выполняемой процессом программы построен механизм, позволяющий процессу перейти к выполнению другой программы с помощью системного вызова ехес.

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.

Существует множество различных алгоритмов планирования потоков, по-своему решающих каждую из приведенных выше задач. Алгоритмы планирования могут преследовать различные цели и обеспечивать разное качество мультипрограммирования. Например, в одном случае выбирается такой алгоритм планирования, при котором гарантируется, что ни один поток/процесс не будет занимать процессор дольше определенного времени, в другом случае целью является максимально быстрое выполнение «коротких» задач, а в третьем случае — преимущественное право занять процессор получают потоки интерактивных приложений. Именно особенности реализации планирования потоков в наибольшей степени определяют специфику операционной системы, в частности, является ли она системой пакетной обработки, системой разделения времени или системой реального времени. В большинстве операционных систем универсального назначения планирование осуществляется динамически (on-line), то есть решения принимаются во время работы системы на основе анализа текущей ситуации. ОС работает в условиях неопределенности — потоки и процессы появляются в случайные моменты времени и также непредсказуемо завершаются. Динамические планировщики могут гибко приспосабливаться к изменяющейся ситуации и не используют никаких предположений о мультипрограммной смеси. Для того чтобы оперативно найти в условиях такой неопределенности оптимальный в некотором смысле порядок выполнения задач, операционная система должна затрачивать значительные усилия. Другой тип планирования — статический — может быть использован в специализированных системах, в которых весь набор одновременно выполняемых задач определен заранее, например в системах реального времени. Планировщик называется статическим (или предварительным планировщиком), если он принимает решения о планировании не во время работы системы, а заранее (off-line). Соотношение между динамическим и статическим планировщиками аналогично соотношению между диспетчером железной дороги, который пропускает поезда строго по предварительно составленному расписанию, и регулировщиком на перекрестке автомобильных дорог, не оснащенном светофорами, который решает, какую машину остановить, а какую пропустить, в зависимости от ситуации на перекрестке. Результатом работы статического планировщика является таблица, называемая расписанием, в которой указывается, какому потоку/процессу, когда и на какое время должен быть предоставлен процессор. Для построения расписания планировщику нужны как можно более полные предварительные знания о характеристиках набора задач, например о максимальном времени выполнения каждой задачи, ограничениях предшествования, ограничениях по взаимному исключению, предельным срокам и т. д. После того как расписание готово, оно может использоваться операционной системой для переключения потоков и процессов. При этом накладные расходы ОС на исполнение расписания оказываются значительно меньшими, чем при динамическом планировании, и сводятся лишь к диспетчеризации потоков/процессов. Диспетчеризация заключается в реализации найденного в результате планирования (динамического или статистического) решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой. Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода, коды ошибок выполняемых данным потоком системных вызовов и т. д.

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.

ПРИМЕЧАНИЕ 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.

Состояния потока 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;

ожидание — пассивное состояние потока, находясь в котором, поток заблокирован по своим внутренним причинам (ждет осуществления некоторого события, например завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого потока или освобождения какого-либо необходимого ему ресурса);

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).

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

В течение своей жизни каждый поток переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования потоков, принятым в данной операционной системе. Рассмотрим типичный граф состояния потока (рис. 4.3). Только что созданный поток находится в состоянии готовности, он готов к выполнению и. стоит в очереди к процессору. Когда в результате планирования подсистема управления потоками принимает решение об активизации данного потока, он переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ожидания какого-нибудь события, либо будет принудительно «вытеснен» из процессора, например вследствие исчерпания отведенного данному потоку кванта процессорного времени. В последнем случае поток возвращается в состояние готовности. В это же состояние поток переходит из состояния ожидания, после того как ожидаемое событие произойдет.

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.

Таблица 2 — Таблица соответствия размеров матриц режимам принтера

Рисунок 2 — Пример формирования матрицы для печати символа «А»

Символ представляет собой матрицу, в которой темные ячейки соответствуют выпячиваемым иголкам, а светлые — утапливаемым. Такая матрица может быть закодирована. Каждой строке матрицы присвоен номер. Все строки матрицы разбиты на три группы, внутри каждой из которых нумерация повторяется. Каждый столбец матрицы кодируется тремя байтами, соответствующими одной из групп строк. Значение каждого из трех байтов, кодирующих столбец, определяется суммой, присвоенной строкам, на пересечении которых с данным столбцом размещен знак" *" (рисунок 2).

Кроме кодированного описания внешнего вида символа, необходимо задать три параметра, определяющих ширину символа и его положение относительно других символов при печати. Каждый из этих параметров предшествует описанию внешнего вида символа и задается байтом информации. Первый параметр (m0) определяет расстояние слева, второй параметр (ml) — ширину самого символа, третий параметр (m2) — расстояние справа от других символов.

При описании символа количество колонок (ml), образующих символ, и общее пространство (m0+ml+m2). занимаемое символом, не должны превышать значений, представленных в таблице 3.

Таблица 3 — Таблица соответствия значения количества колонок и общего пространства режимам принтера

В соответствии с условием поставленной задачи рассматриваемым режимом матричного принтера является Draft super subscript, следовательно, матрица имеет размеры в ширину 7 позиций и в высоту 16 иголок. Ширину отступов от символа слева (m0) и справа (m2) выберем равными одной иголке, общее пространство символа m0+ml+m2=1+7+1=9, что не превышает максимального значения 12.

Чтобы связать описание символа с соответствующим кодом, необходимо послать на принтер набор команд, указывающих режим, номер кода загружаемого символа, три байта общего описания символа (m0, ml, m2) и байты описания столбцов матрицы. Данные операции прослеживаются на примере листингов приложений.

Заданием на курсовую работу было проектирование своих инициалов (Е.Ю.) — т. е. Е, Ю

Проектирование символа «Е»

1. На клеточном поле 16×23 изображается кривая проектируемого символа, затем на ее основе проектируется матрица (Рисунок 3)

Рисунок 3- Матрица символа «Е»

1. Каждый столбец матрицы кодируется тремя байтами (таблица 4).

Таблица 1- Значение кодирующих байтов матрицы для символа «Е»

3. Затем в оперативную память принтера передается данные, связанные с кодом литеры, и подается команда печати спроектированного символа

1000 LPRINT CHR$(27);" x1″ ;

1010 LPRINT CHR$(27);" &" ;CHR$(0);CHR$(60);CHR$(60);

1020 RESTORE 1540

1030 FOR N=31 TO 31

1040 READ LS: LPRINT CHR$(LS);

1050 READ CW: LPRINT CHR$(CW);

1060 READ RS: LPRINT CHR$(RS);

1070 FOR M=1 TO CW*3

1080 READ MM

1090 LPRINT CHR$(MM);

1100 NEXT M

1110 NEXT N

1540 'Symbol'

1550 DATA 7, 8, 7

1560 DATA 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

1570 DATA 0,0,0, 0,0,0, 127,254,0, 127,254,0, 97,136,0

1580 DATA 97,136,0, 97,136,0, 97,136,0, 97,136,0, 97,136,0

1590 DATA 96,6,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

1600 DATA 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

Проектирование символа «Ю»

Рисунок 4- Матрица символа «Ю»

Таблица 5- Значение кодирующих байтов матрицы для символа «Ю»

Листинг третьего этапа проектирования для символа «Ю».

1000 LPRINT CHR$(27);" x1″ ;

1010 LPRINT CHR$(27);" &" ;CHR$(0);CHR$(60);CHR$(60);

1020 RESTORE 1540

1030 FOR N=31 TO 31

1040 READ LS: LPRINT CHR$(LS);

1050 READ CW: LPRINT CHR$(CW);

1060 READ RS: LPRINT CHR$(RS);

1070 FOR M=1 TO CW*3

1080 READ MM

1090 LPRINT CHR$(MM);

1100 NEXT M

1110 NEXT N

1540 'Symbol'

1550 DATA 7, 8, 7

1560 DATA 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

1570 DATA 0,0,0, 0,0,0, 127,254,0, 127,254,0, 1,128,0

1580 DATA 1,128,0, 127,254,0, 64,2,0, 64,2,0, 64,2,0

1590 DATA 127,254,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

1600 DATA 0,0,0, 0,0,0, 0,0,0

Заключение

В ходе работы над теоретической частью курсовой работы была изучена соответствующая литература по безопасности и функционированию операционных систем. Особое внимание было уделено понятиям «процесс» и «поток».

Выполнение аналитической части курсовой работы позволило углубить знания в области управления печатающими устройствами. Подробно были изучены принципы работы матричного принтера, механизм печати отдельных литер, управляющие команды, позволяющие осуществить вывод символов на печать. Получены практические навыки расширения диапазона используемых для печати символов путем конструирования недостающих знаков, кодирования их описания и подачи на принтер набора управляющих команд. Написание программы на языке BASIC позволило повысить не только уровень владения конкретно этим языком, но и программированием в целом.

Была так же выполнена поставленная задача — формирование новых символов, разработка команд для их загрузки в оперативную память принтера и программы, реализующей вывод данных символов на печать — выполнена путем разработки начертания символов, составляющих мои инициалы (Е.Ю.), и реализации необходимых программных кодов на языке BASIC.

Список используемой литературы

1. Гайчук Д. В., Подопригора Н. Б. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Безопасность операционных систем"для студентов специальности 90 105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», Ставрополь 2006;05−15

2. Современные операционные системы. Э. Таненбаум, 3-е изд. -СПб.: Питер, 2010.

3. Бормотов С. В. Системное администрирование на 100% (+CD). — СПб.: Питер, 2006. — 256 с.

4. Информационные системы в экономике: учеб. пособие /А.Н. Романов, Б.Е. Одинцов-М.: Вузовский учебник, 2006.

5. В. Г. Олифер, Н. А. Олифер «Сетевые операционные системы» Серия: Учебник для вузов. Издательство: Питер, 2008 г. ISBN 978−5-91 180−528−9

6. Девянин П. Н. Теоретические основы компьютерной безопасности — М.: Радио и связь, 2000.

7. Уинзор Дж. SOLARIS. Руководство системного администратора. 3-е изд. — СПб.: Питер, 2003.— 448 с.

8. Системное программное обеспечение./В.М. Илюшечкин, А. Е. Костин., 2-е, перераб. И доп. — М.: Высш.шк., 1999 г.

9. Экономическая информатика: учеб. пособие /В.В. Евсюков-Тула: изд. «Гриф и К», 2003.

10. Работа на компьютере. Коржинский С. — СПб.: ПИТЕР. 2005