Лорин Г., Дейтел Х.М. Операционные системы. Главы 1-3

Подождите немного. Документ загружается.

возможности в отношении отладки и тестирования программ посредством

моделирования процесса работы в интерактивной среде;

• наличие циклической программы управления процессором (центрального

элемента системы), организующей просмотр очередной готовности, ввода и

задержки программ для выбора работы, требующей первоочередного выполнения.

В очередь ввода попадают все сообщения с терминалов. В двух других очередях

находятся сведения

о готовых к выполнению низкоприоритетных программах (в

виде управляющих блоков) и информация о протекании процессов ввода-вывода,

которая запрашивается основными программами, приостановленными до

завершения обменов. Управление циклической программе передается через

фиксированные промежутки времени по прерываниям от интервального таймера;

• простота способов обращения к операционной системе и средств

описания данных;

• выделение

памяти по запросам блоками фиксированной длины.

Существуют блоки трех стандартных размеров. Предусмотрено максимально

возможное совместное использование кодов обрабатывающих программ и данных.

Допускается сосуществование рассматриваемой системы с OS/VS. При этом

управляющая программа «гипервизор» делит память на две области. Одна из них,

высокоприоритетная, предназначается для работы АСР, а вторая, фоновая, — для

OS/VS. Программы

обработки прерываний системы АСР способны при

необходимости распознавать прерывания в программах, работающих под

управлением OS, и вызвать для выполнения соответствующих действий гипервизор.

До тех пор, пока циклическая программа управления способна обеспечивать AСР

работой, управление остается у этой системы. Как только АСР освобождается,

управление передается гипервизору, который в свою очередь вызывает OS/VS как

прикладную

программу. При совместном использовании систем АСР и OS

последняя может служить для поддержки фоновых работ по созданию новых

программных средств, что очень напоминает выполнение фоновых программ в DOS

и других малых диалоговых системах.

3.8. СИСТЕМЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Проследив эволюцию мультипрограммных систем, мы познакомились с

проблемой систематизации, заключавшейся в том, что системы, исходно

разрабатывавшиеся как пакетные, постепенно приобретали совершенно иные

свойства. Например, последние версии OS/МVТ предусматривали возможность

интерактивного управления базами данных и разработки новых программ в режиме

диалога и даже имели некоторые черты систем обработки транзакций. Эти

возможности были реализованы специальными подсистемами, обеспечивавшими

соответствующую среду времени выполнения работающим под их управлением

программам.

Таким образом, OS/МVТ предоставляла средства расширенной

машины системам ТSO, ИМS и СIСS, а они в свою очередь — прикладным

программам. Набор функций операционной системы существенно пополнился в

101

результате добавления к ней нескольких специализированных мониторных

программ. Поэтому в определенном смысле МVТ превратилась в систему общего

назначения. Структурные аспекты подобных систем, а также вопросы расширения

базового набора системных функций в дальнейшем будут рассмотрены более

детально.

В настоящее время под системой общего назначения понимают

программный комплекс, включающий единую и одинаково

эффективную

поддержку всех способов доступа и режимов работы. Скорее всего систем,

полностью удовлетворяющих приведенному определению, не существует. Тем не

менее, если исключить из списка обязательных свойств возможность управления

базами данных на языке уровня DL/1 и одинаково эффективную для всех

реализацию специализированных функций, то ряд систем по заложенным в них

решениям можно

отнести к системам общего назначения. В частности, в OS/МVS

пакетный режим и режим разделения времени (ТSO) поддерживаются не

посредством специальных мониторов, а с помощью основных элементов системы и

фактически интегрированы в ней. Этого, однако, нельзя сказать о механизмах

системы управления базами данных IМS.

В свое время, когда понятия реального времени и

управления базами данных

еще не были четко сформулированы, системы ЕХЕС VIII фирмы UNIVAS, ТSS/360

фирмы IВМ и Мultics по своим свойствам, пожалуй, могли быть названы системами

общего назначения. Некоторые особенности ЕХЕС VIII наводят даже на мысль о

том, что разработчики предполагали приспособить ее одновременно для

программирования в диалоговом режиме, обработки транзакций и быстрого

решения пакетных задач. Все три перечисленные системы обладали сложными

механизмами динамического распределения ресурсов, причем Мultics и ТSS

использовали виртуальную память как совокупность объектов (сегментов),

допускающую для любой выполнявшейся программы определение прав доступа к

информации из различных сегментов. Система ТSS предоставляла любому

пользователю расширенное линейное адресное пространство. И ТSS и

Мultics

предназначались в основном для диалоговой работы, но в принципе программы

могли выполняться и автономно. В ЕХЕС VIII виртуальной памяти не было, но зато

имелся общий аппарат управления режимами (пакетным, диалоговым, реального

времени), позволявший осуществлять различные стратегии управления, и, таким

образом, делалась попытка устанавливать необходимые пропорции между

интенсивностью обработки заданий в каждом

из режимов.

Заметим, что при работе с системами общего назначения прикладной

программист может располагать совсем небольшим функциональным набором.

Некоторые разработчики считают, что операционную систему гораздо удобнее

разбить на множество базисных блоков, реализующих отдельные функции. Из таких

блоков можно конструировать специализированные системы, ориентированные на

решение конкретных задач. Фиксированные же структурные отношения

между

блоками устанавливать нет необходимости.

Безуспешность попыток создания систем общего назначения весьма

102

поучительна. Как бы быстро ни совершенствовались программные средства,

потребности в них растут еще быстрее. Эта проблема представляется очень важной,

поскольку при производстве вычислительной техники постоянно приходится

принимать решения относительно ее сбыта, целесообразности структурных и

функциональных модификаций старых систем и перехода к разработке новых.

Очевидно, что требования по производительности, эффективности и

функциональным

возможностям, с одной стороны, и желание обеспечить

совместимость старых и новых систем в условиях постоянного развития науки и

острой конкуренции — с другой, затрудняют принятие таких решений.

В разд. 3.9 излагаются современные взгляды на структуру операционных

систем, а в разд. 3.10 рассматриваются те факторы, которые на нее влияют.

3.9. СЕТЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

И РАСПРЕДЕЛЕННАЯ

ОБРАБОТКА

О сетевом подходе к организации вычислительного процесса уже

упоминалось при обсуждении систем реального времени. Вычислительная сеть

обычно содержит несколько узлов, каждый из которых обладает определенными

вычислительными возможностями. В одних случаях наличие нескольких узлов в

сети обеспечивает лишь повышение надежности системы, в других они

используются для выполнения определенных операций,

что в целом позволяет

реализовать целенаправленное функционирование системы для решения некоторой

прикладной задачи. Если создатели сети заинтересованы исключительно в

повышении надежности, то, по-видимому, вычислительные установки всех узлов

окажутся совершенно одинаковыми, на них должны применяться одинаковые

операционные системы, и одинаковым прикладным программам придется

обрабатывать одни и те же данные.

Если же

предусматривается распределение функций между узлами системы,

то вполне вероятно, что аппаратура в каждом узле будет иметь характеристики,

позволяющие оптимизировать выполнение конкретных локальных операций. Для

наиболее эффективного решения прикладных задач узлы сети, возможно,

потребуется оснастить различными операционными системами. Это может

объясняться, во-первых, тем, что мощность отдельных локальных вычислительных

установок недостаточна

и не обеспечивает работу наиболее полного варианта OS, а

во-вторых, тем, что оборудование на различные узлы может поставляться

различными фирмами. В том случае, когда, функции, реализуемые всеми

элементами сети, хорошо известны и определены, установление связей между

узлами системы целесообразно возложить на прикладные программы, точно так же,

как на них возлагается координация

различных процессов при решении задач

средствами одной вычислительной установки. Однако в обычной ситуации внутри

операционной системы желательно предусмотреть механизмы, разрешающие вести

диалог с другими операционными системами и, таким образом, обеспечивающие

межсистемную связь для прикладных задач, решаемых комплексом

103

вычислительных машин.

Узлы многомашинных комплексов или сетей могут иметь и пакетные

системы, и системы, ориентированные на обработку транзакций. Средства

телеобработки иногда интегрируются в системе (например, в АСР), но возможно и

альтернативное решение, реализованное аппаратом МVS/NСР для IВМ 370/168 и

других машин, таких, как IВМ 3033, способных поддерживать работу OS/МVS. При

этом непосредственная

организация управления сетью удаленными терминалами и

контроллерами (например, IВМ 3790) осуществляется фронтальным процессором

(3704, 3705), что позволяет разгрузить OS/МVS, сняв с нее задачу управления

удаленными устройствами на физическом уровне. Работой IВМ 3704 или 3705

управляет небольшой монитор NCP (Network Соnrо1 Рrоgram — программа

управления сетью), располагающий специальными средствами связи с компонентом

телеобработки системы МVS, т.

е. VТАМ (Virtual Теleсоmmunications Ассеss Меthod

— виртуальный телекоммуникационный метод доступа). Такая структура

обеспечивает перенос ряда функций основной системы на вспомогательную

машину.

Конечно, можно обобщить описанные системные функции, сделав

фронтальный процессор более мощным и возложив на соответствующую систему

дополнительные задачи, не относящиеся непосредственно к управлению

периферийными устройствами сети. В принципе фронтальная

машина пригодна для

поддержки целого множества механизмов операционной системы, включая

механизм буферизации, сервисные функции режима разделения времени (например,

редактирование программ и компиляцию), механизм планирования и т. д. Иногда

даже на фронтальной машине удобно выполнять некоторые прикладные функции.

Нетрудно также представить себе структуру, данными в которой управляют

специальные операционные системы, работающие

на вспомогательных машинах.

Для установления связей между элементами многомашинных комплексов можно

использовать все типы функциональной поддержки, рассмотренные при

обсуждении микропроцессоров и микропрограммирования. Однако в данном случае

придется учитывать географическое распределение прикладных программ, данных и

механизмов управления (общих и локальных).

Отметим, что пакетные системы тоже могут объединяться в сети, что

позволяет перейти

на совершенно новый способ работы, когда независимо от места

физического ввода задание выполняется там, где находятся соответствующие

данные, или там, где вычислительные установки имеют неполную загрузку. Для

машин фирмы IВМ существует специальная программа JЕS (Job Еntrу Subsystem —

подсистема ввода заданий), действующая совместно с операционной системой и

обеспечивающая объединение нескольких пакетных систем

в сеть.

Сетевая организация и распределенная обработка не являются синонимами,

хотя разницу между ними иногда довольно трудно уловить. В целом сетевая

организация подразумевает высокую степень независимости между отдельными

машинами. Такая независимость означает, что каждая машина представляет собой

многоцелевую систему, способную самостоятельно:

104

• оказывать пользователям сети специфические услуги (например, машина

ILLIAC IV дает возможность быстро производить арифметические операции над

векторами);

• распределять нагрузку между несколькими процессорами;

• предоставлять пользователям некоторую конкретную систему

программирования (например, предусматривая для программ на языке Фортран

быструю трансляцию, загрузку и выполнение).

Распределенная обработка предполагает решение одной прикладной задачи

одновременно на всех компонентах

сети, каждый из которых выполняет

определенные функции или обрабатывает определенные данные. При этом

взаимосвязь между различными вычислительными машинами более тесная,

взаимодействия — более интенсивные, а зависимость одной системы от других—

более сильная, чем в случае сетевого подхода. Заметим, что до сих пор отсутствует

четкая грань между простыми сетями и сетями с

распределенной обработкой.

Существует несколько основных проблем, связанных с формированием

вычислительных сетей. В настоящее время вопрос организации межмашинного

взаимодействия решается путем добавления к имеющемуся программному

обеспечению средств связи. С помощью этих средств операционные системы

общаются с себе подобными или со специальными системами, разработанными, как

правило, той же самок фирмой. Например, программа DЕС

NEТ устанавливает связь

между операционными системами фирмы DЕС, работающими на машинах с

архитектурой РDР-11. Фирма Неwllеt-Расkаrd также разработала специальные

средства связи между машинами RТЕА, RТЕВ и RТЕ II с тем, чтобы можно было

разрабатывать мощные системы общего назначения иерархической структуры,

допускающие работу в режимах разделения времени и

реального времени.

Некоторые специалисты считают, что учет требований, выдвигаемых

сетевым и распределенным подходами, в конце концов приведет к серьезным

изменениям в структуре операционных систем. Это произойдет, вероятнее всего,

вследствие создания для прикладных программ особой среды выполнения, которая

позволит снять с программистов ответственность за физическое размещение

конкретных данных и программ. В такой

высокоразвитой среде по специальным

макрокомандам типа ОРЕN или GЕТ будут происходить обращения к

запрашиваемым данным, возможно, находящимся на географически удаленных

устройствах. Вопрос об общей структуре операционной системы значительно

усложняется, если принять во внимание распределенность элементов системы

между различными узлами сети. В дальнейшем мы еще вернемся к рассмотрению

систем с подобной

организацией.

3.10. ФАКТОРЫ,

ВЛИЯЮЩИЕ НА ОРГАНИЗАЦИЮ

ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Выше уже отмечалось, что структура операционной системы в значительной

105

степени определяется архитектурой аппаратного комплекса. Привилегированные

команды, механизмы адресации, защиты, обработки прерываний и

микропрограммной поддержки, заложенные в аппаратуре, способствуют

формированию у разработчиков вполне конкретных представлений о функциях и

структуре операционной системы, подходящей для работы на данной

вычислительной установке. В этой главе мы уже упоминали и о том влиянии,

которое оказывают на

операционные системы размеры соответствующих машин. В

связи с наличием множества разнотипных систем представляется целесообразным

более детальное рассмотрение факторов, обусловливающих их структурную

организацию.

Назначение операционной системы — предоставить пользователю

возможности расширенной машины. Поэтому разработчик обязан:

• подробно ознакомиться с аппаратурой и предусмотреть способы

устранения ее недостатков и максимального использования ее достоинств;

• изучить

предполагаемую среду применения, включая потребности

организаций-заказчиков, сущность их задач, а также особенности коллективов

пользователей;

• представлять пути дальнейшего развития вычислительной техники и

программирования для обеспечения необходимых средств расширения и

совершенствования создаваемой системы. В особенности от разработчика

требуется, чтобы он был хорошо знаком с университетскими исследованиями, а

также новинками конкурирующих фирм.

3.11. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ

Мы не можем оставить без внимания вопрос о степени влияния разработок в

области программного обеспечения на структуру аппаратной части системы.

Некоторые идеалисты утверждают, что сначала должна разрабатываться

операционная система и только затем оборудование, необходимое ей для

эффективной работы. Поскольку именно операционная система поддерживает

интерфейсы

, удовлетворяющие потребности пользователей, то в принципе можно

считать, что программное обеспечение должно определять основные

характеристики вычислительной системы в целом. При таком подходе пути

оптимального распределения функций между операционной системой и

аппаратурой, появляется возможность избежать как ее непропорционального

усложнения, так и недостаточного развития. Примером непропорционального

оборудования может служить обеспечение команд, которые

никогда не включаются

компиляторами в создаваемые ими программы на машинном языке.

Однако этот подход практически неприемлем при разработке систем общего

назначения из-за трудности четкого определения соответствующих интерфейсов, а

также в связи с тем, что отсутствие информации об аппаратной базе значительно

затрудняет решение вопроса о реализуемости некоторых функций. Все это приводит

106

к ситуации, которую можно охарактеризовать как отставание разработки

программного обеспечения. Таким образом, чаще всего в создании вычислительных

систем ведущую роль играют разработчики новой аппаратуры, причем даже в тех

случаях, когда предусматривается тесное взаимодействие групп, занимающихся

аппаратным и программным обеспечением. В результате разработки операционных

систем почти всегда ведутся на основе уже

более или менее устоявшейся

аппаратной базы. Конечно, решения по некоторым вопросам, например структуре

прерываний, механизму переключения задач, управлению памятью и

микропрограммной поддержке, должны приниматься совместно.

3.11.1. Списки контрольных вопросов

Приведенные ниже вопросы полезны для формирования ясного

представления об основных структурных свойствах рассматриваемой

вычислительной машины.

Механизм прерываний

• Можно ли утверждать,

что в связи с наличием нескольких уровней

прерываний или нескольких точек входа на каждом уровне машина

ориентирована на режим работы по принципу управления от событий?

• Каким образом при прерывании осуществляются сохранение и

восстановление информации о состоянии машины?

• Сколько времени уходит на определение причины прерывания?

Ответы на перечисленные вопросы позволяют установить

, насколько

эффективно может работать система в средах с высокой частотой возникновения

внешних событий и следует ли использовать механизм прерываний для

переключения с одной функции на другую в режиме рольного времени.

Система команд

• Подходит ли стандартный набор команд для решения всех типов задач,

включая научные и экономические?

• Обладает ли стандартный

набор команд свойствами, позволяющими

применять данную машину в качестве контроллера телеобработки?

• Является ли система машинных команд достаточно высокоуровневой,

чтобы в основных чертах определять синтаксис и семантику некоторого языка

программирования?

• Каковы особенности разделения команд на привилегированные и

непривилегированные?

Изучение системы команд дает возможность выявить области

целесообразного применения машины, а также решить

, какие языки

программирования могут быть успешно реализованы на ней.

Стоимость/производительность

• Не слишком ли высока стоимость машины, предназначенной для

обслуживания небольшого коллектива пользователей решающих однородные

задачи?

107

• Можно ли в реальных условиях обеспечить полную загрузку оборудования?

• От какой части ресурсов вычислительной установки можно отказаться,

чтобы повысить эффективность использования оборудования?

Распределение функций

• Какие функции могут выполняться одновременно? Допускается ли

совместная работа ЦП и системы ввода-вывода? Различных устройств ввода-

вывода? Основного и специального процессоров? В какой степени машину можно

считать состоящей из асинхронно функционирующих элементов?

• Существует ли четкое разделение механизмов ввода-вывода и управления

памятью? Выделены ли устройства ввода-вывода и внешние запоминающие

устройства в специальные классы, т. е. различаются ли они с точки зрения приемов

работы с ними?

Изменяемость конфигурации

• Какова минимальная конфигурация системы?

• Какова ее максимальная конфигурация'

• Какие приемы параметризации вытекают из возможных вариантов

конфигурации системы? Предусмотрено ли определение семейства операционных

систем?

3.12. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ

РЕЖИМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Быть хорошо информированным о предполагаемой рабочей среде — это

значит суметь ответить на следующие вопросы:

• Какого рода задачи предстоит решать с помощью ЭВМ? Какими будут

задания: большими и весьма важными, небольшими, но важными или не очень

важными? Какие желательно обеспечить способы доступа?

• В каком окружении должна работать система? Предназначается ли она для

эксплуатации в крупном центре обработки данных? Не придется ли эксплуатировать

систему в условиях недостаточной профессиональной подготовки операторов? Не

предусматривается ли связь данной машины с другими ЭВМ?

• Кто должен непосредственно обслуживать систему? Какова численность

профессиональных операторов? Системных программистов? Сколько средств может

быть выделено на готовку соответствующих кадров?

• С какими предшествующими или современными машинами необходимо

обеспечить совместимость? Потребуется ли перенос данных с других машин?

Должны ли быть реализованы те же языки программирования? Следует ли

обеспечить совместимость с другими ЭВМ на уровне языков управления

заданиями? Следует ли сохранить интерфейсы времени выполнения?

108

3.13. УЧЕТ ПОСЛЕДНИХ ДОСТИЖЕНИЙ

ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Учет последних достижений программирования предполагает знакомство с

проводящимися университетскими исследованиями и разработками

конкурирующих фирм. В частности, необходимо знать 1) перешли ли в недавнее

время конкуренты на выпуск более совершенной продукции в соответствии с

изменившимися потребностями рынка и была ли ими разработана новая

операционная система; 2) не скомпоновали ли конкуренты по-новому системные

функции и не была ли ими тем самым создана иная структурная концепция

операционной системы; 3) не содержится ли в статьях университетских

исследователей идей о неизвестных ранее способах структурной организации

операционных систем или о методологии их создания; 4) появились ли новые

варианты решения классической проблемы распределения реализуемых функций

между разработчиками различных компонентов вычислительных систем; 5) не

доказали ли проведенные исследования возможность реализации функций, до сих

пор считавшихся нереализуемыми?

Развитие аппаратной базы, среды применения и методов разработки влияет

на формирование основных свойств существующих классов операционных систем и

отличительных особенностей систем каждого класса. Со временем многое меняется.

Реализуются новые функции, создаются новые структуры. Иногда случается так,

что в течение долгих лет не происходит никаких сколько-нибудь значительных

изменений в организации систем, и тогда упор делается на оптимизацию разработок

и разработку новых методологий реализации. Создание новой большой

операционной системы — гигантская задача. Но трудно даже представить себе,

какие усилия требуются для построения системы, призванной обслуживать

многотысячные коллективы пользователей в течение пяти и более лет.

СОКРАЩЕНИЯ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ,

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ,

ПРЕДЛОЖЕНИЯ И КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

AСP (АПЛ) COBOL (Кобол) DECNET

Автокодировщик COGO DOS POWER

BMEWS CTSS DOS/VS

CHAIN Dartmouth BASIC FMS

CICS Data General NOVA FORTRAN (Фортран)

CLOSE DEC PDP-11 GECOS

GET MCP SEEK

IBM 370/168 Multics SYSIN

IBM 709 MVS/NCP SYSOUT

IBM1401 OPEN TI 990

IBM 7070 OS/MFT TSO

109

IBM OS/360 OS/MVS TSS/370

IBM Серия 1 OS/MVT UCB

IBM Серия 7 PUT UNIVAC III

IBSYS/IBJOB для 7094 QUICKTRAN UNIVAC 418

IMS SACCS UNIVAC 1107

IOCS SAGE UNIVAC 1108

JES SCAN UNIVAC EXEC II

LSI 11 SCOPE UNIX

SDC Q-32 VTAM

СПИСОК ТЕРМИНОВ

Автономная вспомогательная ЭВМ Отставание разработок программного

обеспечения от разработок аппаратуры

Автономное устройство печати Очередь диспетчера

Асинхронно работающее устройство Пакетная система без

мультипрограммирования

Асинхронное выполнение Память на магнитных дисках

Ассемблирование перемещаемой программы Перекрытие

Базисные пакетные системы с

мультипрограммированием

Перемещаемая программа

Блок управления устройством Персональная вычислительная система

Блокирование и разблокирование

Подсистема ввода заданий

Буфер сообщений Прерывание

Взаимодействующие процессы Прерывание ввода-вывода

Взаимоотношения поставщика и потребителя Привилегированная команда

Виртуальная память Принцип управления от очередей

Виртуальный телекоммуникационный

метод доступа

Принцип управления от процессов

Внутренняя очередь заданий Принцип управления от событий

Время обработки задания Приоритетный доступ

Гипервизор Программа переднего плана

Динамическое управление памятью

Программа-сборщик

Задача Процессор вспомогательный

Задача, связанная с печатью Процессор фронтальный

Записи переменной длины Рабочее место программиста

Записи фиксированной длины Развитая пакетная система с

мультипрограммированием

Защита Раздел памяти

Информационная система Раздел переднего плана

Использование аппаратуры Распределенная обработка

Компиляция перемещаемых программ Резидентная функция

Кросс-ассемблер Ручной способ определения разделов

Кросс-компилятор

Связывающий загрузчик

Метаассемблер Сегментация

Монитор Сетевая организация

Мониторная фортран-система Симбионт

Мультизадачный режим Символические имена устройств

Мультипрограммная смесь Система обработки транзакций

110