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

Подождите немного. Документ загружается.

выполняющихся в режиме задачи, и модулей операционной системы. Фактически

новые принципы определения интерфейса между аппаратурой и программным

обеспечением, обусловленные повышением роли микропрограммирования, могут

способствовать возникновению совершенно новых подходов к разработке

операционных систем.

1.4. ПОНЯТИЕ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

В результате развития технологии изготовления аппаратуры традиционное и

неизменное в течение достаточно долгого времени представление о взаимосвязи

оборудования и программного обеспечения частично потеряло адекватность.

Однако сложность выбора из спектра возможных решений по определению логики и

распределению функций интерфейса между аппаратурой и программным

обеспечением пока еще не идет ни в какое сравнение со сложностью решения

аналогичной задачи для интерфейсов между различными уровнями и программами

операционной системы.

Фундаментальной проблемой остается пока строгое определение понятия

операционной системы и ее основных функций. До сих пор еще однозначно не

решен вопрос о разбиении программных функций на системные и прикладные и

соответственно о возможностях, предоставляющихся прикладным программистам в

рамках расширенной архитектуры (т. е. посредством операционной системы).

Существуют различные точки зрения на то, какие компоненты программного

обеспечения следует считать входящими в операционную систему, а какие

представляют собой самостоятельные программные продукты.

Комплекс программного обеспечения содержит различные компоненты,

предназначенные для снижения стоимости программирования, упрощения доступа к

системе, повышения эффективности работы, а также для настройки, планирования и

учета. Цель создания такого комплекса — получить экономический выигрыш при

использовании системы путем увеличения производительности труда

программистов и эффективности работы оборудования. Для достижения этой цели

разрабатываются языки программирования, многочисленные пакеты прикладных

программ, системы управления базами данных, программы сортировки и

объединения, планировщики, библиотеки и системы управления ими, системы

ввода-вывода, редакторы связей, программы, перезаписи данных.

Предусматриваютя функции, позволяющие снизить стоимость программирования

посредством упрощения и облегчения процесса их написания. Существуют также

программно реализованные средства, которые могут быть полезны

обслуживающему персоналу.

Вообще, операционная система — это довольно расплывчатое понятие,

опирающееся на определенные традиции, параметры оборудования, размеры

программ, реализующих некоторые функции, а также распределение функций

между различными прикладными программами. Обычно считается, что

операционная система поддерживает:

1) функции связи с оператором в реальном времени для подготовки

устройств к работе, переопределения конфигурации и изменения состояния

системы. Этот интерфейс, как правило дает возможность оператору запускать

программы, прерывать выполнение программ, запрашивать информацию об

использовании аппаратуры и о ходе выполнения конкретной программы, сообщать

системе о соответствии наборов данных конкретным устройствам и т.д.

2) функции, относящиеся к выполнению операций ввода-вывода. В

частности, в состав операционной системы входят программы обработки очередей

запросов на выполнение ввода-вывода, распределения устройств и каналов

конкретным программам, а также наборам данных;

3) механизмы мультипрограммирования, способствующие использованию

процессоров выполняющимися программами. Иногда частью операционной

системы считаются и механизмы управления, которые предоставляют

выполняющимся программам системное обслуживание соответствующих уровней,

но эти же механизмы могут считаться расширением системы, поскольку они

реализуют управляющие функции высшего уровня;

4) механизмы, обеспечивающие методы доступа к ресурсам вычислительной

системы. Например, компоненты считывания и управления входным потоком в

пакетном режиме и интерпретации поступающих с терминалов команд в диалоговом

режиме позволяют установить связь между системой и программистами для приема

запросов последних на соответствующее обслуживание. Указанные компоненты

операционной системы фиксируют запросы на вычислительные ресурсы и

присваивают их отправителям статусы, согласно которым они могут получать

требуемое обслуживание. Компоненты, обеспечивающие доступ, могут также

считаться не входящими непосредственно в операционную систему. В таком случае

эти компоненты образуют подсистемы, напоминающие по характеру

взаимоотношений с системой прикладные программы.

Трансляторы тоже не принято рассматривать как часть операционной

системы. Однако иногда они оказываются настолько сильно связанными с другими

компонентами программного обеспечения, что понятие проекции, соответствующей

лишь основным частям операционной системы, становится бессмысленным. Многие

функции современных операционных систем в прошлом считались функциями

компиляторов и обеспечивались библиотеками компиляторов. Вообще,

распределение функций между компиляторами и операционной системой является

весьма гибким, поэтому невозможно однозначно ответить на вопрос о роли как

компиляторов, так и системы в обеспечении выполняющихся программ памятью и

прочими ресурсами. Во многих простых диалоговых системах только с одним

языком программирования процессы компиляции, распределения и управления

настолько взаимосвязаны, что строго определить, где кончается операционная

система, а где начинается компилятор, не представляется возможным.

Решение о включении какого-либо элемента программного обеспечения в

операционную систему зависит от позиции разработчика, от требуемых сервисных

возможностей системы и от сложившихся традиций. Многие компоненты,

программного обеспечения не вошли в операционную систему лишь потому, что

необходимость реализации функций стала очевидной только после того, как

структура операционной системы и ее интерфейсы уже приняли отчетливые

очертания. В качестве примера можно привести телеобработку или управление

базами данных.

В этой книге рассматриваются компоненты и структура операционных

систем, а также излагаются различные точки зрения на само понятие операционной

системы. Читателю, пытающемуся развить уже сложившиеся представления,

следует самым серьезным образом отнестись к замечаниям о крайней аморфности

понятия операционной системы. Прогресс в целом определяется нашей

способностью к переорганизации, перестройке и переупорядочению своих

представлений о системах. Предупредив читателя о разнообразии суждений и

взглядов, мы рассчитываем на творческое отношение к предлагаемому его

вниманию материалу и надеемся, что у него возникнут идеи о возможности иной

структурной организации описываемых механизмов и функций.

СОКРАЩЕНИЯ, ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

APL (АПЛ) EPROM PL/1 (ПЛ/1)

BASIC(Бейсик) HONEYWELL 6800 UNIVAC 1100

CDC 6600 MULTICS IBM

CDC CYBER OS 1100 IBM 370

COBOL (Кобол) OS/MVS IBM 5100

CPU OS/MVT

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ

Аппаратура Передача параметров

Барабан Печатающее устройство

Генерация кодов Прикладной программист

Двойная индексация Проверка четности

Диск Программист

Индексный регистр Редактор

Интерпретатор Семантика

Канал Синтаксис

Компилятор Система команд

Косвенная адресация Система передачи данных

Лексический анализ Система управления базой данных

Магнитная лента Сортировка

Макрокоманда Сохранение и восстановление регистров

Машинный язык Специалисты по трансляции

Специалисты по языкам — лингвисты

Машинный язык высокого уровня Телеобработка

Набор данных Устройство управления

Объединение Утилита

Оператор вычислительной машины Язык высокого уровня

Оптимизация кодов Язык Ассемблера

Пакет прикладных программ

Память

СПИСОК СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ

Адресация через сегменты Вспомогательная память

Аппаратура адресации памяти Вызов супервизора (SVC)

Аппаратно- программное обеспечение Двумерная адресация

Аппаратно реализованная система команд Динамическое управление памятью

Ассоциативная память Дополнительная память

Базовый регистр Доступ по директиве EXECUTE

Библиотека программ Доступ по директивам READ, WRITE, EXECUTE

Буфер Доступ по директиве READ

«Ведущий» режим Доступ по директиве WRITE

Внешняя архитектура Запрещение операции ввода-вывода

Внешняя система команд Запрещение прерывания

Иерархия памяти Прерывание

Интерфейс Привилегированные команды

Ключ защиты Программно адресуемая память

Командный язык Программно доступные регистры

Компонент считывания входного потока Программно реализованная стековая организация

обработки прерываний

Кэш-память Процессор микрокоманд

«Мегамашина» Разрешенные прерывания

Микропрограммирование Регистр-ограничитель

Мультипрограммирование Редактор связей

Мультипроцессирование Режим (состояние) задачи

Настройка системы Режим (состояние) супервизора

Обработчик прерываний Режим управления

Операционная система Реконфигурация системы

Опрос прерываний Сегментация

Основная память Система управления вводом-выводом

Особый случай при обращении к сегменту «Скрытый» буфер

Особый случай при обращении к странице Страничная организация памяти

Ошибка адресации Структура адресации

Параллельно выполняющиеся операции Структура программы

Перемещение Управление памятью микрокоманд

Планировщик Уровень аппаратуры

Постоянная память «Уровень» проекции

Фрагментация памяти

«Черный ящик»

УПРАЖНЕНИЯ

Раздел 1.1.

1.1. Первые вычислительные машины не оснащались операционными

системами, и поэтому компиляторы непосредственно включали в создаваемые ими

программы все машинные команды, необходимые для выполнения

соответствующих работ. Современные системы обладают большим количеством

самых разнообразных интерфейсов, позволяющих, в частности, уменьшить число

команд, включаемых в рассматриваемые программы на этапе компиляции.

а) Какие функции могут, по вашему мнению, реализовываться посредством

этих интерфейсов?

б) Следует ли учитывать наличие подобных интерфейсов при разработке

программ ассемблирования?

в) Как вы представляете себе «мегамашину», образующуюся в результате

обеспечения указанных интерфейсов?

1.2. Объясните, какие с вашей точки зрения существуют различия между

специалистами в области языков программирования и разработчиками языковых

процессоров? Кто из них более тесно связан с проблематикой операционных

систем?

1.3. Нередко программистам, пользующимся для написания программ

языками высокого уровня, в процессе дальнейшей отладки приходится спускаться

на уровень ниже, вплоть до обращения к дампам памяти.

а) В каких ситуациях, несмотря на применение языков высокого уровня,

желательно работать с дампами?

б) Укажите отрицательные стороны обращения к дампам.

в) Какие меры, по-вашему, должны предусмотреть разработчики

операционной системы во избежание необходимости использования дампов в

процессе отладки?

1.4. Операторы вычислительных машин общаются с операционными

системами с помощью специальных интерфейсов, обеспечиваемых при работе с

операторских терминалов.

а) Сравните проекцию системы оператора с проекцией прикладного

программиста.

б) Сравните проекцию оператора с проекцией разработчика компиляторов.

в) Сравните проекцию оператора с проекцией администрации

вычислительного центра.

1.5. Операционные системы призваны обеспечить прикладным

программистам удобные интерфейсы, имеющие минимальное отношение к

структуре самих вычислительных машин.

а) Прокомментируйте это утверждение.

б) Как вы объясните то, что реализация этого утверждения имеет особенно

важное значение для пользователей, недостаточно знакомых с принципами работы

вычислительных машин?

в) Как бы вы описали класс пользователей, для которых реализация

рассматриваемого утверждения не принципиальна?

Раздел 1.2.

1.6. Аппаратная часть вычислительной системы представляет совокупность

элементов аппаратуры — устройств с четко определенными функциями и

предназначенных для выполнения операций различной степени замкнутости.

Прокомментируйте это утверждение.

1.7. Объясните, почему такие характеристики аппаратной части, как:

а) структура адресации;

б) структура прерываний;

в) система команд;

г) механизмы защиты,

имеют особо важное значение для разработчика операционной системы.

1.8. Приведите детальное описание способа функционирования механизма

прерывания любой знакомой вам вычислительной машины.

1.9. Опишите стандартную последовательность событий, связанных с

приемом прерывания, означающего завершение процесса ввода-вывода.

1.10. Чем вызвано введение отдельных временных интервалов, в течение

которых все прерывания запрещаются? Придумайте такую архитектуру, чтобы в ней

никогда не возникала необходимость запрещения прерываний.

1.11. Опишите различия между режимом задачи и режимом управления.

1.12. Какие две схемы защиты памяти вы знаете?

1.13. Что такое микропрограммирование?

1.14. Чем основная память отличается от дополнительной?

1.15. Что такое «кэш-память»?

1.16. Чем определяется вероятность нахождения адресуемого объекта в кэш-

памяти?

1.17. Незначительное увеличение среднего времени нахождения объектов в

кэш-памяти может оказать огромное воздействие на скорость выполнения программ

центральным процессором. Попытайтесь объяснить, почему это происходит.

1.18. Чем постоянная память отличается от электронно-программируемой

постоянной памяти?

Раздел 1.3

1.19. Какие три фактора в основном предопределяют решение об

оптимальном с точки зрения производительности распределении функций между

аппаратным и программным обеспечением системы?

1.20. Если микропрограммирование позволяет расширить внешнюю

архитектуру системы, то, естественно, оно также предоставляет принципиальную

возможность обеспечения специальных микропрограммных интерфейсов для

компиляции программ непосредственно в микрокоманды. Как вы это понимаете?

Раздел 1.4

1.21. Перечислите три основных компоненты, которые принято включать в

состав операционной системы. Назовите также три программных компонента,

имеющих сервисный характер и предоставляющихся, как правило, в виде

независимых пакетов.

1.22. Охарактеризуйте кратко каждый из следующих компонентов

программного обеспечения:

а) транслятор;

б) пакет прикладных программ;

в) систему управления базой данных;

г) программу сортировки;

д) программу объединения;

е) планировщик;

ж) систему управления библиотеками;

з) систему управления вводом-выводом;

и) редактор связей;

к) программу перезаписи.

1.23. Ниже приводится список функций, обычно считающихся функциями

операционной системы. Дайте краткое описание каждой из них. Далее эти функции

будут рассмотрены более подробно. Попытайтесь проследить, как по мере изучения

материала следующих глав меняются и уточняются ваши представления о

перечисленных функциях:

а) монтирование устройств;

б) изменение конфигурации системы;

в) изменение состояния системы;

г) запуск программы;

д) останов программы;

е) получение сведений об интенсивности использования аппаратуры;

ж) получение сведений о скорости выполнения отдельных программ;

з) установление соответствия между наборами данных и устройствами ввода-

вывода;

и) управление очередями запросов на ввод-вывод;

к) непосредственная передача запросов на ввод-вывод устройствам обмена;

л) обработка прерываний от устройств ввода-вывода;

м) распределение устройств и каналов ввода-вывода;

и) управление последовательностью выполнения программы в

мультипрограммном режиме;

о) управление выделением выполняющимся программам свободной памяти;

п) установление интенсивности обслуживания каждой из программ;

р) считывание входного потока;

с) интерпретация команд, посылаемых с терминалов.

1.24. Нередко при рассмотрении одноязычной диалоговой системы програм-

мирования механизмы компиляции, распределения и оперативного управления

настолько тесно связаны, что практически невозможно провести грань между

компилятором и операционной системой. Как вы это можете объяснить?

Глава 2

ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вопрос об основных функциях операционных систем уже неоднократно

обсуждался в литературе по программированию. На первый взгляд может

показаться, что определить назначение программного продукта — не такая уж

сложная задача. Однако в рассматриваемом случае дать подобное определение

совсем не просто, поскольку не существует единой точки зрения на то, какие

компоненты программного обеспечения следует считать входящими в

операционную систему, а какие нет. Наиболее общий подход предполагает

включение в состав системы всех функций, реализованных с помощью различного

рода утилит и служебных пакетов. Но есть и другое мнение: наоборот, не считать

эти функции относящимися к системе.

Обеспечение командного языка общения с системой довольно часто относят

к задачам операционной системы. Но средства поддержки такого языка по аналогии

с компиляторами могут быть отнесены и к системному расширению. Многие

функции программного обеспечения имеет смысл рассматривать только в

совокупности со стратегиями их реализации, причем иногда сами механизмы,

реализующие указанные функции, причисляются к операционной системе, а

соответствующие стратегии — нет. В частности, программа, управляющая

переключением процессора с одних задач на другие, может считаться неотъемлемой

частью системы, реализующей один из фундаментальных механизмов последней.

При этом программа, взаимодействующая с аппаратными средствами и на этой

основе планирующая порядок использования процессора, может включаться в

систему, а может и не включаться. Таким образом, перечисление функций

операционной системы предполагает ответ не только на вопрос, какие функции ей

принадлежат, но и на вопрос, в какой степени принадлежат ей данные функции.

Сторонники «ограничительного» подхода к определению операционной системы,

вероятно, составили бы следующий список ее основных функций:

• управление процессором путем чередования выполнения программ;

обработка прерываний и синхронизация доступа к ресурсам вычислительной

системы;

• управление памятью путем выделения программам во время их выполнения

требуемой памяти;

• управление устройствами путем инициализации запросов на ввод-вывод,

управления очередями и фиксации завершения обменов;

• управление инициализацией программ и обеспечение межпрограммных

связей;

• управление данными путем поддержки создания, открытия, закрытия,

чтения и обновления файлов.

Операционная система выполняет множество простейших операций. Эти

операции могут быть различным образом сгруппированы в структуры. Полученные

структуры представляют собой основные компоненты операционной системы,

причем их названия часто непосредственно отражают соответствующие системные

функции. Например, в системе OS/МVТ фирмы IВМ реализованы три главные

функции: управление заданиями, управление данными и управление задачами.

Функция управления заданиями обеспечивает запуск заданий в пакетном режиме;

функция управления данными — связь между программами и данными и, наконец,

функция управления задачами — поддержку работы принятых к исполнению

программ, соперничающих за предоставление им ресурсов вычислительной

системы.

Конкретное распределение простейших функций по компонентам явилось

следствием сложившегося в начале 60-х годов у разработчиков операционной

системы OS/360 представления о требованиях пользователей. В другой идеологии

программирования выделение трех указанных выше функций системы могло

сохраниться, но могло также оказаться абсолютно бессмысленным. Рассмотрим,

например, последовательность стандартных действий, выполняемых при

необходимости обращения программы к некоторому набору данных. Приписывание

набора данных программе (разрешение пользоваться им и обеспечение программы

соответствующими средствами) — одна из функций управления заданиями.

Открытие набора (подготовка его к непосредственному использованию) и чтение

его информации осуществляются в рамках управления данными. Выделение памяти

для считывания содержимого рассматриваемого набора данных представляет собой

функцию управления задачами. Конечно, допустимо перераспределение этих

функций между основными частями операционной системы, но тогда изменится ее

структурная организация.

Операционная система может рассматриваться как совокупность функций,

совокупность объектов и, наконец, как совокупность отображений функций на

объекты. Структура системы зависит от того, каким образом устанавливается

соотношение между функциями и объектами.

На рис. 2.1 приведен список, в котором указаны операции (функции),

применимые ко всем допустимым объектам. Последние перечислены во втором

списке, включающем наборы данных, процедуры и устройства. Такая система

может выполнять операции создания, записи, обновления, уничтожения и

обеспечивать защиту наборов данных, программ и устройств.

Возможна организация функций системы, при которой все операции над

каждым объектом выполняются соответствующим ему конкретным модулем (рис.

2.2). Итак, одна программа операционной системы предназначена для работы с

набором данных 1, друга обслуживает набор данных 2 и т. д. Структура

получающейся системы приведена на рис. 2.2, 6. Для выполнения операций над D1

вызывается обработчик D1, для выполнения операций над D2, . . . Подобная

структура может оказаться удобной при небольшом числе объектов Если над

объектами выполняются совершенно разные операции, то не исключено, что такое

распределение функций будут даже эффективным функций будет даже

эффективным.