Разбор задачи 2: уровни вычислительной системы

Прикладные системы (утилита администратора). fdisk — обычный процесс в режиме пользователя. Таблицу разделов он читает и пишет через файл блочного устройства /dev/sda вызовами open, read, write, ioctl(BLKRRPART). Сам обмен с диском выполняет драйвер ядра.

Можно упомянуть, что он управляет физическим ресурсом — разметкой диска. Поэтому отметка «упр. физическими ресурсами» с пояснением тоже допустима. Но код ядра fdisk не содержит.

Системы программирования. ldd показывает, какие разделяемые библиотеки нужны программе и где их найдёт динамический загрузчик. Технически она запускает ld-linux.so с переменной LD_TRACE_LOADED_OBJECTS=1. Это понятия компоновки и загрузки программ. Как исполняемый процесс это прикладная утилита, поэтому «+ прикладной» с пояснением тоже засчитывают.

Управление логическими ресурсами. Это не файл на диске, а псевдофайл файловой системы procfs. Ядро генерирует его текст в момент read. Он доступен через VFS, как любой файл. Содержимое — сведения об аппаратуре (модель процессора, частота, флаги). Поэтому можно добавить: «отображает аппаратный уровень и данные, собранные подсистемой управления физическими ресурсами».

Уровни 1 и 2. Это структура данных в памяти. Её формат задаёт аппаратура: MMU читает её при каждом промахе TLB и сам выставляет биты A и D. Заполняет таблицу ядро — подсистема управления памятью — при страничных отказах, fork, mmap, выгрузке страниц.

Уровень 2, а на некоторых архитектурах и 1. Одна запись на физический кадр: какая виртуальная страница какого процесса в нём лежит. Её размер зависит от объёма физической памяти, а не от адресных пространств. Ядро использует такие структуры для учёта кадров (в Linux — массив struct page, обратные отображения rmap). На PowerPC и IA-64 хешированную инвертированную таблицу просматривает аппаратура, отсюда «+» в уровне 1.

Уровень 2. Поток ядра (kswapd в Linux, pagedaemon в BSD). Следит, чтобы свободных кадров было не меньше порога. Выбирает жертвы по биту доступа (алгоритм часов), грязные страницы сначала записывает на диск, затем освобождает кадры. Работает с физическими кадрами. Можно добавить уровень 3: он оперирует страницами виртуальных адресных пространств процессов и страничным кешем файлов.

Прикладные системы. Обычная серверная программа в режиме пользователя (named). Пользуется сокетами и файлами через системные вызовы. Решает прикладную задачу: преобразование имён в адреса.

Аппаратура. Управляющий регистр процессора i386. Хранит физический адрес каталога страниц текущего адресного пространства, и MMU начинает с него каждый обход таблиц. Записывать в cr3 может только ядро: это привилегированная инструкция. Подсистема управления памятью перезагружает его при переключении процессов, и при этом сбрасывается TLB. Поэтому допустимо добавить уровень 2.