Лорин Г., Дейтел Х.М. Операционные системы. Главы 1-3
Подождите немного. Документ загружается.
программы для совместного выполнения приходилось ассемблировать или
компилировать одновременно, в результате чего получался единый загрузочный
модуль. Компиляторы создавали модули, снабженные специальными таблицами
адресов, требующих изменения при перемещении. Перемещение в ранних системах
означало добавление ко всем значениям адресов перед загрузкой некоторой
константы.
3.5.1. Система FMS
В ранних системах была сделана попытка объединить
языки
программирования, средства ввода-вывода и средства, предоставляемые утилитами,
в единое целое. Одна из систем такого типа FMS — мониторная Фортран-система
для машины IВМ 709 интересна своей концептуальной структурой, и прежде всего
трактовкой операционной системы как придатка компилятора. Система являлась
одноязыковой и почти не требовала от программиста никаких специальных знаний.
Предварительно изучив Фортран
, он мог работать на ней уже по прочтении всего
лишь около десятка страниц соответствующего руководства.
FМS за исключением того, что в ней поддерживался только один язык,
обладала большинством свойств современных пакетных операционных систем. Она
допускала несколько последовательных процессов компиляции, а также
последовательное выполнение различных программ. Имелась возможность также
оформить компиляцию
, загрузку и выполнение как единый процесс. Система
предоставляла целый комплекс отладочных директив для определения требуемых
дампов и условий, при возникновении которых дампы должны выдаваться.
Структура входного потока была предельно простой.
ID
DATE
XEQ FORT CLG
FORTRAN
DATA
данные
Кроме того, с помощью команды СHAIN в потоке осуществлялось
управление работой с перекрытиями (оверлейной структурой).
Компоненты
системы, непосредственно поддерживающие пакетный режим,
объединялись в монитор. Монитор занимался организацией ввода потока заданий и
при необходимости вызывал компилятор. По окончании процесса компиляции
управление снова передавалось монитору, который определял, следовало ли
выбрать очередную работу из входного потока, произвести еще один процесс
компиляции или перейти к загрузке и выполнению полученных программ.
На время
всего процесса выполнения монитор удалялся из основной памяти. Операции ввода-
вывода в этот период поддерживались специальными программами из библиотеки
81
компилятора. Тогда еще не существовало представления об одновременно
находящихся в памяти несвязанных программах. Соответственно запускавшаяся
программа получала полный контроль над всей аппаратурой. Отсутствие
специального режима выполнения привилегированных команд означало также
отсутствие формального интерфейса между программами пользователей и
подсистемой ввода-вывода. Распределение устройств ввода-вывода задавалось в
одной из таблиц компилятора, где
указывалось соответствие между логическими и
физическими устройствами и номенклатура стандартных функций. Для изменения
этой совокупности соответствий требовалось вызвать системный редактор.
Дополнительная гибкость достигалась с помощью аппаратных средств изменения
адресов физических устройств, Как важную особенность FМS следует отметить
наличие соглашений об использовании стандартного системного ввода (SYSIN) и
стандартного системного вывода (SYSOUT). Это позволяло
сократить время
подготовки к работе. Кроме того, обеспечивалась возможность применения общих
рабочих лент (SYSUТ
n
), что упрощало операторам их установку.
3.5.2. Система IBSYS/IBJОВ
Система IВSYS/IBJOВ — это развитая крупная система без
мультипрограммирования, разработанная в начале 60-х годов. Она представляет
собой многоязыковое обобщение FМS, основанное на концепции резидентного ядра
системы, реализующего расширенную машину. Основной монитор IВSYS/IВJOВ
содержал резидентную программу поддержки ввода-вывода, обеспечивал выдачу
дампов, а также имел интерфейс с монитором IВJОВ. IВJОВ обрабатывал входной
поток, состоящий из программ на языках Фортран и Кобол, программ
преобразования данных, загрузки, а также библиотечных программ системы
управления вводом-выводом IOCS. Программы, не рассчитанные на использование
управляющих средств IBJОВ, могли выполняться непосредственно на интерфейсах
IВSYS. Структура системы
IВSYS/IВJOВ изображена на рис. 3.4.
В IВSYS/IВJOВ впервые нашли свое отражение многие представления,
характерные и для современных операционных систем. Язык управления IВSYS
содержал только два обязательных предложения: $JOB и $ ЕХЕСUTE. Предложение
$JOB указывало на начало нового задания, причем его обработка влекла за собой
вызов специальной учетной программы
, составлявшейся пользователем. Кроме
того, предложение $JOB означало восстановление стандартной среды ввода-
вывода. Если в предыдущем задании были изменены общие соглашения о работе с
устройствами (переименовано устройство системного вывода SYSOUT). перед
началом выполнения нового задания осуществлялся возврат к стандартным именам.
Таблицы распределения физических устройств, доступные в FМS лишь с помощью
редактора, в
данном случае могли изменяться по командам оператора, для чего во
входной поток монитора IВSYS следовало помещать специальную управляющую
карту. Это был важный шаг к обеспечению независимости от устройств.
Карта $ЕХЕСUTE означала обращение к некоторой подсистеме или
82
83
языковому процессу. Супервизор IВSYS вызывал нужную подсистему и
передавал ей управление. Когда предложение $ЕХЕСUTE, требовавшее обращения
к какой-либо программе подсистемы, обрабатывалось самой подсистемой, она
вызывала соответствующую программу, сохраняя при этом управление. Передать
управление подсистема могла только супервизору.
Система IBSYS имела резидентное ядро, постоянно находившееся в
основной памяти. Ядро обеспечивало связь
между подсистемами и включало
определенную системную информацию, в частности адрес начала области,
содержащей программы работающей подсистемы, адрес начала таблицы устройств
и адрес начала таблицы готовности устройств.
В таблице устройств размещались указатели на адреса областей памяти,
называвшихся UCВ (Unit Соntrо1 В1осk — блок управления устройством). Блоки
UСВ служили для записи информации
о состоянии устройств ввода-вывода.
Состояние устройства определялось тем, занято оно или свободно, а также адресом
соответствующей подпрограммы ввода-вывода и другими параметрами. Таблица
готовности устройств для каждого канала содержала список связанных с ним
устройств, готовых к обмену. Такие таблицы были необходимы для управления
распределением устройств и выполнением операций ввода-вывода
. Наличие
специальной информации в блоках управления позволило частично освободить
программы пользователей от выполнения не имеющих непосредственного
отношения к решаемым задачам функций и сделать более гибким механизм
распределения устройств.
Кроме программ ядра в IBSYS входила так называемая программа-
исполнитель операций ввода-вывода, предназначавшаяся для централизации
управления процессами ввода-вывода. Операции обмена при
этом поддерживались
на достаточно низком уровне. В системе предусматривались также механизмы
обработки прерываний, преобразования данных, вывода информации на перфокарты
и на печать.
Интерфейс программы-исполнителя ввода-вывода являлся низкоуровневым.
Пользователю самому приходилось определять, свободно ли необходимое ему
устройство, и задавать точки нормального и аварийного возврата. Такой низкий
уровень объяснялся стремлением создать
общий интерфейс для всех процессоров и
подсистем, работающих при поддержке IBSYS. Из-за отсутствия
мультипрограммирования не требовалась и реализация защиты памяти c системы
приоритетов.
Супервизор IВSYS не входил в его резидентную часть. Задачей супервизора
являлась обработка входного потока заданий, а также обеспечение связи с
оператором.
Системный редактор предназначался для обслуживания и модификации
элементов программного обеспечения. Язык редактирования позволял
модифицировать, перемещать в памяти, копировать, вставлять и удалять различные
элементы системы. Монитор IВJОВ предоставлял среду для работы с языками
программирования. Он содержал загрузчик, собственно монитор и библиотеку
84
системы управления вводом-выводом IOСS. Загрузчик занимался размещением
программ и требуемых системных подпрограмм в памяти, а также распределением
устройств. В данном случае в отличие от большинства современных систем имело
место объединение функций загрузчика и планировщика. В IBSYS/IВJОВ принятый
порядок работы был оправдан, поскольку память отводилась программам в то же
время
, что и другие ресурсы, и не существовало каких-либо причин для разделения
этапов планирования и загрузки.
Интересные возможности предоставлял редактор ввода-вывода. Он считывал
информацию с устройства системного ввода SYSIN и записывал информацию на
устройство системного вывода SYSOUТ, но включал в себя также языковые
процессоры,. обеспечивая выполнение операций ввода-вывода по
их запросам.
Языковые процессоры не были связаны с конкретными устройствами ввода-вывода
и применяли для записи и считывания стандартный интерфейс. Таким образом,
входной поток мог поступать с различных устройств.
3.5.3. Системы с буферизацией
Базисные пакетные системы сравнительно быстро приобрели некоторые
черты мультипрограммных. В конце 50-х годов было уже достаточно много
систем
с использованием особого вида буферизации, называемого спулингом. Спулинг
означает обмен между программами и медленными внешними устройствами при
посредстве памяти с прямым доступом или быстродействующими устройствами
ввода-вывода. Если в программе требуется распечатать содержимое некоторого
файла, то можно непосредственно обратиться к аппаратным средствам печати.
Однако системная поддержка вывода на печать
заключается в том, что на самом
деле сначала строка вывода переносится на промежуточный быстродействующий
носитель (барабан, ленту или диск), а затем в подходящее для системы время
накопленные данные распечатываются (рис. 3.5).
Цель применения спулинга — согласовать высокое скоростное выполнение
программ с медленной работой устройств ввода-вывода. Характерно, что общее
время выполнения программы, распечатывающей
некоторый файл, определяется в
основном временем, затрачиваемым непосредственно на печать. Такая программа
лишь очень малую часть времени своей работы использует процессор и
быстродействующие устройства. Если нужно распечатать 50-страничный отчет, а
устройство вывода на печать работает со скоростью 600 строк в минуту (страница
состоит из 60 строк), то общая продолжительность печати составит 5 мин.
Пока идет процесс печати, процессор и устройства считывания с лент, хотя и
не функционируют, формально считаются находящимися в распоряжении
программы, запросившей печать. Однако, если сначала выдавать информацию на
промежуточный носитель, обладающий высокими скоростными характеристиками,
то общее время выполнения программы, зависящее от быстродействия
соответствующего устройства вывода, можно заметно снизить. При этом общая
пропускная способность системы увеличится.
85
Такой способ работы с медленными устройствами совсем не обязательно
требует программной поддержки. Информация, например, может выводиться
автономными средствами печати или поступать в распоряжение автономного
вспомогательного процессора. Подобные приемы часто применялись в ранних
системах. Вычислительная машина UNIVАС не имела устройств печати с
управлением от центрального процессора, в IВМ 700 вывод на
печать
осуществлялся с помощыо вспомогательных машин IВМ 1401. Если устройства
печати работают совместно с основным оборудованием, то для согласования
выполнения программ с темпом работы медленных устройств нужны специальные
системные средства. Существует ряд способов организации этих средств.
Операционная система для IВМ 7070 включала программы печати и вывода
на перфокарты как свои компоненты. Например, программаа
печати и
соответствующие буфера находились в так называемой транзитной области
операционной системы. Понятие системного вывода было снизано со спулингом, и
вся информация, которую требовалось распечатать, поступала на устройство печати
системного вывода. При указании на необходимость печати файла вывод на это
устройство выполнялся программами поддержки.
Последующая распечатка информации осуществлялась с помощью
программы печати, выполнявшейся параллельно с программами пользователей.
86
Большую часть времени, когда программа печати бездействовала, работали
прикладные программы. Как только устройство печати заканчивало вывод
очередной строки, управление передавалось программе операционной системы,
посылавшей новую строку на печать и возвращавшей управление прерванной
прикладной программе до того момента, как устройство печати вновь
освобождалось.
Аналогичный аппарат распечатки использовался в нескольких системах,
включая UNIVAС
III. Возможность мультипрограммирования достигалась за счет
незначительного усложнения механизма прерываний. Если происходило
прерывание от устройства ввода-вывода, обработчик соответствующих прерываний
определял, могла ли выполняться программа, поддерживавшая спулинг, и при
необходимости передавал ей управление. Основы современного
мультипрограммирования были заложены уже тогда, когда появился механизм,
обеспечивающий поочередную работу вспомогательной системной программы и
программ
пользователей.
Отличительной особенностью систем со спулингом является то, что, как
правило, выводящийся в данный момент на печать файл относится к одной из
закончивших выполнение программ, Программа, поддерживающая спулинг,
потребляет лишь незначительную часть ресурсов вычислительной установки и
минимально влияет на выполнение программ пользователей. Взаимное влияние
прикладных программ и системной программы имеет
место только в том случае,
когда первые лишаются услуг процессора или подсистемы ввода-вывода, поскольку
они используются программой поддержки спулинга. В результате таких задержек
общее время выполнения процессором прикладных программ увеличивается.
Однако даже в этой ситуации программы пользователей в целом выполняются
быстрее, чем если бы они были напрямую связаны с
устройством печати. Влияние
спулинга на выполнение прикладных программ сводится к минимуму, если для
обмена с устройствами прикладных программ служат выделенные каналы или если
прикладным программам требуется небольшая часть процессорного времени.
Существуют два способа обеспечения спулинга. Один из них, принятый в
системе OS/360, состоит в том, что программа, поддерживающая спулинг,
рассматривается как обычная
обрабатывающая программа. Иными словами,
программа системного вывода запускается обычным способом, применяет
стандартные интерфейсы и получает ресурсы на правах одного из компонентов
мультипрограммной смеси. Другой способ нашел свое отражение в системе ЕХЕС II
для машины UNIVAС 1107. Важная особенность этой системы (а также более
поздних систем серии 1100 и системы МVS фирмы IВМ) заключается
в
возможности запуска процесса печати до завершения создания прикладной
программой соответствующего файла.
Подход, основанный на концепции разработчиков фирмы UNIVАС,
предусматривает введение специальной системной функции симбионта. Ее связи с
программами пользователей столь тесны, что вызывают ассоциацию с
биологическим симбиозом. Прикладные программы и компонент, реализующий эту
87
функцию, работают совместно, причем их отношения можно соответственно
сравнить с отношениями поставщика и потребителя. Прикладные программы
помещают записи для вывода в общий буферный файл, а симбионт распечатывает
записи по мере их поступления. Все это можно рассматривать как частный случай
обеспечения связи между двумя взаимодействующими процессами посредством
буфера сообщений. Метод работы
с буфером сообщений в общих чертах будет
рассматриваться в дальнейшем.
Программы входного потока используют особую функцию операционной
системы, называемую функцией взаимодействия. С помощью этой функции
передаваемые прикладными программами записи помещаются на магнитный
барабан, служащий буфером. Когда буферная область заполняется, программа
поддержки взаимодействия передает управление загрузчику симбионта, который
загружает последний в
память и помещает его в специальную очередь программы-
диспетчера. В результате физическая распечатка содержимого файла производится
одновременно с выполнением прикладной программы.
Наличие описанного механизма свидетельствует о желании разработчиков
увеличить пропускную способность системы, измеряющуюся числом заданий,
которые могут быть выполнены системой за определенный промежуток времени.
Пропускная способность и время обработки одного
задания представляют собой
две основные и вместе с тем принципиально разные характеристики
функционирования вычислительной системы. Очевидно, что полное время
обработки задания — с момента его поступления в вычислительный центр и до
момента передачи результатов пользователю — можно свести к минимуму,
предоставив медленные устройства вывода в распоряжение прикладной программы.
Разумеется, каждый пользователь заинтересован
в наиболее быстрой распечатке
своих файлов, и при этом он не слишком озабочен эффективным использованием
системы в целом. Создание промежуточного буфера и вывод файлов порциями
увеличивают общее время обработки задания. Например, если непосредственная
распечатка некоторого отчета занимает 30 мин, то распечатка того же отчета в
условиях спулинга займет 30 мин плюс время работы
программы, поддерживающей
буферизацию. Несмотря на то что спулинг позволяет выполнять за тот же интервал
времени большее число программ, недостаточная мощность печати может свести на
нет все усилия, поскольку программе печати придется иметь дело с целой очередью
файлов.
Применение второго способа обеспечения спулинга не снимает проблем,
связанных с недостаточной мощностью устройства
печати, а лишь позволяет в
определенных случаях более оперативно передавать информацию пользователю.
Этот способ дает возможность уменьшить простои процессора и создать поддержку
ассинхронного по отношению к процессу выполнения программ процесса печати. В
некоторых ситуациях, например когда устройство печати занято, эффект
параллельного выполнения процессов исчезает, но иногда с помощью
рассмотренной выше организации
можно существенно увеличить количество
информации, выдаваемой в процессе выполнения программ. Таким образом, за счет
88
незначительного снижения пропускной способности заметно уменьшается полное
время обработки одного задания.
3.6. СИСТЕМЫ С МУЛЬТИПРОГРАММИРОВАНИЕМ
Одним из интересных явлений в развитии вычислительной техники была
почти одновременная разработка базисных пакетных систем с
мультипрограммированием и развитых мультипрограммных систем. Это
объяснялось тем, что они предназначались для машин разных типов. Теория в
данном случае
несколько опередила технологию, и многие из уже
сформировавшихся представлений в течение некоторого времени не находили
применения в связи с отсутствием достаточно мощных ЭВМ. Машины третьего
поколения, наконец, предоставили все необходимые средства. Особенно большое
влияние на структуру операционных систем имело появление магнитных дисков в
конце 50-х годов. С созданием дисковой памяти возникли
следующие три
предпосылки для дальнейшего развития операционных систем:
• пополнился набор устройств, в который наряду с лентами вошли диски;
• стало возможным оснащать ЭВМ большой и достаточно оперативной
памятью, требовавшей разработки специальных механизмов ее поддержки;
• прямая адресация памяти на дисках создавала очевидные удобства и в то же
время порождала новые
проблемы обеспечения программных интерфейсов ввода-
вывода.
Помимо особенностей, связанных с появлением дисков, следует указать на
увеличение степени независимости и асинхронности работы различных
компонентов системы, а также на развитие аппаратных механизмов прерываний,
защиты и приоритетного доступа. Переход к третьему поколению
вычислительных машин означал не только усложнение их структуры, но и
повышение
эффективности работы.
3.6.1. Базисные системы
с мультипрограммированием
Несмотря на то что базисные системы с мультипрограммированием
противопоставляются развитым, их строгое определение нигде в явном виде не
давалось. Полный обзор мультипрограммных систем, начиная с разработанных в
начале 60-х годов, показывает, что явных признаков, определяющих переход от
базисных систем к развитым не существует.
Однако некоторое интуитивное
представление о конкретной системе можно получить, если рассмотреть следующие
факторы:
• основные алгоритмы управления памятью;
• сложность стратегий параллельного выполнения задач;
• механизмы распределения и перераспределения устройств, а также
использования и освобождения программами наборов данных;
89
• степень участия системы в планировании загрузки аппаратуры и
распределении ресурсов,
В целом базисные мультипрограммные системы 1) требуют значительных
затрат на ручное планирование и распределение, 2) не обеспечивают гибкое
управление памятью, возлагая на операторов определение размеров и числа
разделов (которые остаются неизменными в течение значительных временных
интервалов), 3) при поддержке мультипрограммирования практически не создают
сбалансированной загрузки различных устройств, 4) чаще всего устанавливают
жесткую связь между программами, наборами данных и устройствами на все время
использования этих программ.
Базисные системы с мультипрограммированием в основном предназначались
для небольших вычислительных установок в условиях, когда интенсивное
управление ресурсами было невозможным да и невыгодным, а загрузка
оборудования допускала ручное планирование. Машины поколений
, обладающие
большими возможностями, обогащения систем, становившихся по мере увеличения
мощностей аппатуры все более крупными и развитыми.
В качестве примера базисных систем с мультипрограммированием можно
привести типичную по своим основным параметрам и истории создания систему
DOS IВМ (Disk орегаting system — дисковая операционная система). Это —
система общего назначения, пригодная как для разработки новых программ, так
и
для производственных применений. Исходно она была разработана для
обслуживания небольших машин серии 360 фирмы IВМ, но впоследствии получила
всеобщее признание на модели 148 серии 370.
Первые версии этой системы допускали выполнение фиксированного числа
программ и применение весьма примитивных механизмов распределения ресурсов.
Вся память делилась по указанию администрации на разделы, размеры и число
которых считались неизменными в течение всего периода функционирования
вычислительной системы. Ассемблеры и компиляторы формировали программы,
предназначавшиеся для выполнения только в определенных разделах, причем
ассемблер или компилятор всегда работал в том же разделе, где впоследствии
выполнялась получаемая программа. Фактически система обеспечивала разделение
вычислительной установки на несколько ЭВМ с независимым распределением
ресурсов, но
при этом совместно использовавших процессор и внешние устройства.
Важным этапом на пути перехода от операционных систем второго
поколения (без мультипрограммирования) к системам с мультипрограммированием
явилась реализация идеи внутренней очереди заданий. В базисных системах
последовательность заданий во входном потоке определялась оператором. В
процессе обработки заданий системой входной поток частично находился
на
устройстве считывания с перфокарт, а частично — в виде внутренних таблиц.
Конечно, входной поток мог быть переписан на магнитную ленту, но это не меняло
общей для всех базисных систем последовательности работы, т. е. задания
выполнялись в порядке их ввода. Упорядочение заданий осуществлялось либо
вручную, либо (в некоторых случаях) под руководством
специальной прикладной
90