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

Подождите немного. Документ загружается.

между операционной системой и оператором. В некоторых мультипрограммных

системах операторы сами управляют числом задач смеси. Другие системы

предусматривают динамическое определение числа одновременно обслуживаемых

задач по алгоритмам, составленным системными программистами.

2.5. УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ

ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛЕЙ АДМИНИСТРАЦИИ

Основная задача операционной системы — организовать работу

вычислительной установки в соответствии с планами администрации.

Операционная система позволяет динамически определять, что важнее:

уменьшение времени реакции на запросы или повышение эффективности

использования всего оборудования, а также каким образом должны обслуживаться

программы, вступающие в конфликт по поводу ресурсов. Параметры, задаваемые

при генерации системы, дают возможность, подключать различные механизмы для

выполнения различного рода работ. Таким образом, в мультипрограммных системах

можно менять алгоритмы, управляющие распределением ресурсов.

Одной из наиболее интересных операционных систем считается система OS/

МVS IВМ, предоставляющая целый набор параметров, называемых параметрами

рабочей загрузки установки (IРS — Installation Performance Specifications).

Параметры IPS определяют группы исполнительных элементов, каждой из которых

соответствует свой уровень обслуживания. От этих параметров совместно с

указаниями о стратегии использования ресурсов зависит порядок действий

компонента управления ресурсами (System Resources Manager — SRM) в процессе

динамического управления совокупностью текущих работ системы.

В целом операционная система обеспечивает следующие интерфейсы:

• интерфейс с администратором для определения стратегии ее

использования;

• интерфейс для системных специалистов, позволяющий осуществлять

синхронизацию и настройку с целью оптимизации производительности системы;

• интерфейс, с помощью которого все задания и работы, выполняющиеся с

терминалов, можно классифицировать по степени их важности и присваивать им

относительные значения приоритетов, а также ставить им в соответствие

обязательные сроки завершения. Эта информация обычно задается в предложениях

языка управления заданиями;

• интерфейс для описания порядка потребления ресурсов данным процессом.

Итак, операционная система предназначена для организации работ по

достижению поставленных целей. В процессе решения этой задачи ей

предоставляются такие возможности, как распределение и перераспределение

процессорного времени, доступ к устройствам, а также доступ к совокупностям

данных. Многие крупные операционные системы время от времени осуществляют проверку состояния проводимых

работ, чтобы выяснить степень реализации заданных целей. При необходимости запускается некоторая

корректирующая процедура.

СОКРАЩЕНИЯ, ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ,

ОПЕРАТОРЫ И КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

ALGOL (Алгол) EXEC VIII UNIVAC READ

APL (АПЛ) FMS REGION

ASSIGN FORTRAN (Фортран) RJE

ATTACH GET RPG (РПГ)

CMS IBSYS/IBJOB RUN

COPY IPL SAVE

CRJE IPS SRM

DATE JCL START

DD JOB SYSGEN

DEVICE JOSS SYSLIB

DISP LOAD SYSOUT

DOS IBM OPEN SYSUT

DPRTY OS/360 TIME

DSNAME OS/370 MVS TSO

EDIT PGM WRITE

EXEC PUT

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ

Бланк задания Пакетная обработка

Буферизация Параллельно выполняемые программы

Вспомогательная программа Параметры по умолчанию

Генерация системы Параметры рабочей загрузки

Диалоговая обработка Подготовка задания к выполнению

Загрузчик Подсистема BASIC в системе Multics

Закрытие файла Право доступа

Запись в файл Предложение определения данных

Запуск задания Прекращение выполнения задания

Изменение конфигурации Приостановка задания

Изменение приоритета задания Протокол связи

Инициирование программы Рабочее место программиста

Интерактивный ввод пакетных заданий Разделение времени

Исправление в программе Размер блока

Каталогизированная процедура Распределенная обработка

Команда терминала Распределение ресурсов

Компиляция, загрузка, выполнение Сетевая организация

Комплект программного обеспечения Сетевой доступ

Конечный пользователь Система общего назначения

Логический адрес устройства Система с оперативным доступом

Локальный ввод заданий Соглашения о метках

Макроассемблер Создание программы

Межпрограммные связи Создание файла

Механизмы и стратегии Среда времени выполнения

Мультипрограммная смесь Терминал программиста

Начальная загрузка программы Удаленный ввод заданий

Независимость от устройств Управление данными

Операторский язык Управление заданиями

Операционный интерфейс Управление задачами

Открытие файла Управление системными ресурсами

Пакетное задание Централизованный ввод заданий

Управляемый пользователем ввод

пакетных заданий

Шаг задания

Управляющий поток пакетного режима Шаговая или построчная компиляция

Файл Язык манипулирования файлами

Физический адрес устройства Язык управления

УПРАЖНЕНИЯ

Раздел 2.1

2.1. Как вы понимаете различия между механизмами и стратегиями

операционной системы?

2.2. Кратко обсудите следующие функции операционной системы:

а) чередование выполнения конкурирующих программ;

б) обработка прерываний;

в) синхронизация доступа к совместно используемым ресурсам;

г) выделение памяти для выполнения программ;

д) прием запросов на ввод-вывод;

е) управление очередями запросов на ввод-вывод;

ж) фиксация завершения процессов обмена;

з) инициализация программ;

и) обеспечение межпрограммных связей;

к) управление данными путем поддержки создания, открытия, закрытия,

чтения и обновления файлов.

2.3. Что такое «примитивный» механизм (примитив)?

2.4. Дайте краткое описание функций управления заданиями, управления

данными и управления задачами.

2.5. Обсудите понятие операционной системы как системы управления

ресурсами.

Раздел 2.2

2.6. Известно, что обычно компиляторы не включаются в состав

операционных систем, а редакторы связей включаются. Почему?

2.7. Считаете ли вы оправданным определение команд ввода-вывода как

привилегированных, предназначенных для выполнения только в режиме

управления?

2.8. Объясните, почему в мультипрограммных системах компиляторы не

могут (и должны) включать в создаваемые программы абсолютно все необходимые

функции.

Раздел 2.3

2.9. Удобство доступа к вычислительным ресурсам в значительной степени

определяет интенсивность использования вычислительных машин. Что вы можете

сказать по поводу этого утверждения?

2.10. В чем заключаются основные различия между языками управления,

языками программирования и операторскими языками вычислительных машин?

2.11. Опишите вкратце назначение каждого из трех основных предложений

языка управления заданиями: JOB, ЕХЕС и DD.

2.12. Сложность и функциональное богатство языка JCL являются серьезным

препятствием для неискушенного программиста, занимающегося составлением

собственных заданий. Объясните, каким образом с помощью правил умолчания,

каталогизированных процедур и механизма замещения управляющих предложений

можно заметно упростить процесс формирования заданий.

2.13. Что такое система общего назначения?

2.14. Объясните, что вы понимаете под «общением» с системой.

2.15. Охарактеризуйте кратко каждый из следующих видов доступа к

ресурсам вычислительной системы:

а) доступ по расписанию;

б) централизованный ввод заданий;

в) удаленный ввод заданий;

г) интерактивный ввод пакетных заданий;

д) программирование в режиме диалога;

е) сетевой доступ (распределенная обработка).

Раздел 2.4

2.16. Одна из серьезнейших проблем в области операционных интерфейсов

— отсутствие явных различий между административными и операторскими

функциями. В связи с этим очень часто при управлении процессом выполнения

программ операторам приходится принимать, в сущности, административные

решения. Прокомментируйте это утверждение.

2.17. Обсудите каждую из следующих возможностей, предоставляемых

оператору при работе за операторским терминалом:

а) изменение конфигурации системы;

б) запуск задания;

в) приостановка или принудительное завершение выполнение задания;

г) получение информации о состоянии задания;

д) изменение приоритета задания;

с) начальная загрузка.

Раздел 2.5

2.18. Многие крупные операционные системы предусматривают

периодическое проведение статистического анализа характеристики обработки

заданий для проверки соответствия работы системы формально установленным

критериям. Если эти критерии не удовлетворяются, меры по обеспечению

необходимой коррекции. В чем, с вашей точки зрения, могут заключаться подобные

корректирующие меры?

Глава 3

ТИПЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ

В предыдущих главах все наше внимание было сконцентрировано 1) на

особенностях аппаратуры, оказывающих влияние на само понятие и структуру

операционной системы, и 2) на основных функциях операционной системы.

Обсуждение носило общий характер, поскольку вопрос о составе системы на

сегодня не имеет однозначного решения, и, кроме того, мы пытались

охарактеризовать одновременно целое семейство операционных систем. Однако

любое такое семейство состоит из вполне конкретных систем, имеющих вполне

определенные свойства. Последние связаны частично со структурой системы и

частично с выполняемыми ею функциями.

Все операционные системы имеют свои характерные особенности. В

частности, при их создании принимаются различные предположения о степени

профессиональной подготовки пользователей. Операционные системы отличаются

числом обеспечиваемых проекций, разнообразием предоставляемых наборов

функций, гибкостью каждой функции, средствами динамического управления ходом

работ и возможностями создания новых программ. Известны самые разные

системные структуры, например структурная организация системы,

предназначенной для обеспечения запуска некоторых программ при фиксации

соответствующих событий, и структурная организация системы, ориентированной

на поддержку мультипрограммного выполнения заданий в пакетном режиме,

которые, вероятнее всего, не совпадают. Наконец, системы отличаются по

техническим средствам и условиям их применения.

Классификация систем представляет собой непростую задачу. Существует

множество трудностей теоретического и практического характера, связанных с

классификацией неформальных объектов. По-видимому, основная причина,

осложняющая дифференциацию операционных систем, заключается в быстром

изменении самой области обработки информации. Динамика экономических

параметров, технических средств и повышение требований, предъявляемых

пользователями к организации вычислительного процесса, приводят к постоянному

созданию все новых и новых систем.

В современной литературе по программированию можно найти немало

различных способов классификации. Иногда классификация систем

непосредственно зависит от размеров вычислительных установок. В первом

приближении все операционные системы делятся на системы, предназначенные для

обслуживания мини-машин, и системы, работающие на больших машинах.

Количество, разнообразие и быстрота функционирования ресурсов вычислительного

комплекса определяют разумные уровни управления, а также способы и режимы

использования имеющихся средств.

Крупная система обходится недешево, и, вероятно, владельцы позаботятся о

ее эффективном применении. Такая система скорее всего станет основным

элементом некоторой общей структуры обработки информации, характеризующейся

циркуляцией потока независимых заданий. Вследствие разнородности выполняемых

работ на первый план здесь выступают проблемы распределения ресурсов и

управления. Поэтому желательно иметь механизмы, позволяющие системе

участвовать в управлении своей собственной деятельностью. Кроме того, полезно

обеспечить разнообразные способы доступа и возможность предоставления

различных видов услуг высокого уровня, как, например, управление базами данных,

ответы на запросы и т. д. Стремление наилучшим образом использовать

вычислительную машину в ситуации, когда основной проблемой является проблема

экономической эффективности, породило тенденцию создавать системы весьма

«общего назначения».

Поскольку большая машина обычно содержит несколько асинхронно

работающих каналов, возможно, несколько процессоров, в том числе

специализированных, множество различного рода устройств и при этом может

функционировать в самых различных конфигурациях, она уже сама по себе имеет

достаточно сложную структуру. Механизмы, необходимые для управления такими

системами, конечно, тоже сложны и в значительных объемах потребляют машинное

время и память. При разработке операционных систем исходят из того, что

выделение даже существенной части ресурсов на нужды управления оправдывается

ростом общей эффективности работы оборудования. Действительно, ведь при

хорошем управлении интенсивность использования ресурсов вычислительной

машины заметно повышается.

Следовательно, операционные системы для больших установок

характеризуются высокой степенью независимости устройств, динамичностью

управления, разнообразием стратегий распределения ресурсов и обилием различных

интерфейсов.

С другой стороны, стоимость небольшой вычислительной машины

относительно невелика. В данном случае неэффективное использование

оборудования не приводит к таким серьезным последствиям, как в случае с большой

машиной. Нет и такого многообразия решаемых задач, поскольку эти машины

обслуживают более однородные группы пользователей. Таким образом, можно

ориентироваться только на определенные формы применения и способы доступа.

Наконец, малая вычислительная установка из-за недостатка ресурсов просто не в

состоянии обеспечить то богатство функциональных возможностей и тот уровень

управления, которые присущи крупным системам.

Характеристики мини-машинных операционных систем во многом отражают

ограниченность соответствующих аппаратных средств. Например, иногда

предусматривается лишь минимальное число способов доступа. Так, одна

операционная система может допускать ввод и выполнение программ

исключительно в режиме диалога, другая — только работу с файлами и причем на

базе простейших операций поиска.

Альтернативный подход к созданию малых систем состоит в сохранении

общности за счет уменьшения количества предоставляемых услуг. Распределение

наборов данных по конкретным устройствам может не поддерживаться

автоматически, а возлагаться на операторов или самих программистов. Система

также может поочередно предоставлять ресурсы процессора различным

программам, но при этом ограничиваться работой в «мультизадачном», а не

«мультипрограммном» режиме. В соответствии с терминологией, принятой для

системы 370 фирмы IВМ, под мультизадачным режимом подразумевается

асинхронное выполнение программ, в совокупности выступающих как, одна

пользовательская программа, а под мультипрограммным — асинхронное

выполнение независимых пользовательских программ. Различие между этими

режимами заключается в том, что в первом из них за планированием и

синхронизацией следит составитель прикладной программы, а во втором —

операционная система.

В том случае, когда принципы разработки операционных систем тесно

связаны с размерами вычислительных установок, взаимоотношения между

машинами и системами приобретают одно интересное свойство. История

программирования показывает, что обычно новые операционные системы для

малых машин напоминают более старые операционные системы для больших

установок. Если технология позволяет, то естественно расширять возможности

малых вычислительных машин; но навряд ли можно достичь многого, предоставив в

распоряжение пользователей, не проявляющих интереса к ЭВМ как таковым,

специализированные интерфейсы, исходно предназначенные, скажем, для узкого

круга пользователей ЭВМ 7094 фирмы IВМ.

Другой критерий, по которому возможна классификация, — основной метод

доступа к ресурсам машины, обеспечиваемый операционной системой. Речь идет о

диалоговых системах, системах реального времени, системах, работающих в

пакетном режиме, и т. д. Все они отличаются способами организации общения

пользователя с системой.

Далее, системы могут классифицироваться по своей ориентации на

обслуживание тех или иных пользователей. Уже сами названия системы

программирования, персональные вычислительные системы, информационные

системы отражают определенные формы обслуживания и потребности работающих

с ними людей. Очевидно, что внешние параметры систем находятся в сильной

зависимости от их назначения.

Следующим критерием классификации могут служить функции, на

реализацию которых ориентирована система. Конечно, здесь имеется определенная

связь и с мощностью вычислительной машины. Например, использование базисной

мультипрограммной системы означает, что возможности вычислительной машины

недостаточны для эффективного применения развитых стратегий динамического

управления.

Традиционно различают следующие типы операционных систем:

• системы реального времени;

• системы пакетной обработки;

• системы разделения времени;

• cистемы общего назначения.

Приведенная схема классификации не является идеальной, поскольку

учитывает только способы доступа к системе. Системы разделения времени так же

существенно отличаются друг от друга, как и операционные системы,

принадлежащие разным классам. Понятие операционной системы общего

назначения не имеет строгого определения. Однако такая классификация подобно

любой другой даст возможность упорядочить изложение основных характеристик

операционных систем.

На рис. 3.1 показано различие между размерами машин, типами доступа и

способами применения систем. Рассматривая этот рисунок, можно сделать вывод,

что все системы, независимо от размеров вычислительных установок и способов

доступа, обеспечивают возможность составления программ. Но некоторые виды

обслуживания требуют оперативного доступа, причем допускается применение как

больших, так и малых машин. Наконец, системы реального времени выделяются в

особый класс. Хорошо развитая операционная система общего назначения должна

допускать любой тип доступа в любой области применения. Вероятнее всего, на

больших машинах можно организовать более мощную поддержку как типов

доступа, так и режимов использования вычислительных систем.

Далее в этой главе при обсуждении операционных систем мы будем

придерживаться введенной классификации, хотя в схеме, изображенной на рис. 3.1,

появятся некоторые новые измерения. Мы приведем также ряд соображений

относительно сетевого подхода и создания распределенных систем. Материал по

распределенным системам можно найти и в последующих главах.

В заключение мы еще раз обращаем внимание читателей на то, что любая,

пусть даже самая лучшая, схема классификации несовершенна, так как не отражает

все направления развития и не полностью учитывает реальные условия. Но

являются ли известные сегодня способы классификации операционных систем в

каком-то смысле естественными или процесс развития науки и промышленности

лишь по случайности привел к созданию систем именно с такими свойствами? Все

ли существующие типы систем сохранятся в будущем? Возникнут ли новые? А

может быть, с дальнейшим развитием технологии и принципов проектирования,

операционные системы вообще исчезнут как таковые?

3.2. СРЕДА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Приводимое ниже определение среды реального времени в основных чертах

заимствовано у Р. Хёстенда, автора пособия по АСР — программе управления

воздушными перевозками фирмы IВМ (форма GН20 — 1473).

Среда реального времени характеризуется тем, что управление обработкой в

ней осуществляется в зависимости от внешних событий, происходящих в заранее не

известные моменты времени. Обработка любого события заключается в выполнении

последовательности работ, причем каждая из них должна производиться в жестких

временных рамках. Внешнее событие — это прием данных или запроса на

обслуживание от асинхронно работающего устройства, которое обычно

непосредственно управляется человеком. Иногда такое событие требует ответной

реакции, а иногда не требует. Диалог между системой и устройством может быть

начат при поступлении запроса системы о состоянии устройства или при посылке

устройством системе определенных сигналов, специфических для данного

устройства. Система реального времени представляет собой мониторную систему,

сводящую к минимуму участие человека в процессе управления. Однако

возможность вмешательства оператора все же предусмотрена в случае

возникновения непредвиденной ситуации, а также при обнаружении сбоев в работе

оборудования. Вмешательство оператора допускается и для переопределения

значений некоторых параметров с целью перенастройки управляемых объектов.

Основной особенностью работы в реальном времени является то, что

вычислительная система применяется исключительно для управления заданным

процессом и обеспечивает своевременную реакцию на все происходящие события

даже при максимальной нагрузке. При этом обслуживаемая среда такова, что

эффективное использование оборудования значительно менее важно, чем

быстрота реакции на запрос.

Системы реального времени служат для управления поточными линиями,

контроля за непрерывными процессами, например подачей газа по газопроводу,

поддержки функционирования искусственных органов при хирургических

операциях, переключения светофоров, контроля за выполнением экспериментов,

регулирования воздушного движения. Управляемые устройства для разных

областей применения существенно различаются. Поэтому необходимо создать

специализированные интерфейсы, обеспечивающие связь между этими системами и

соответствующими устройствами. Такие интерфейсы могут реализовываться

аналого-цифровыми преобразователями или встроенными микропроцессорами.

Сами устройства подключаются к вычислительной установке или локально, или

через каналы связи.

Оборудование вычислительной установки для работы в реальном времени в

зависимости от конкретных применений может быть очень сложным и

значительным по объему, но может быть и достаточно простым. Известно

множество систем реального времени, основанных на использовании

микропроцессоров. Обладающие широкими возможностями процессоры ТI 990 или

LSI 11 (приведенные здесь лишь в качестве примера) пригодны для применения в

большинстве промышленных установок. Системы с микропроцессорами особенно

хороши в тех случаях, когда процесс управления требует минимального участия

оператора и когда включенная система должна беспрерывно работать в течение

продолжительного времени. Для многих приложений структура вычислительной

машины, работающей в среде реального времени, несущественна. Внутренние

процессы ЭВМ протекают почти незаметно. Вообще, машина нужна только потому,

что с ее помощью можно легко и с небольшими затратами организовать управление,

реализовать требуемую схему внутри «черного ящика». Алгоритмы управления при

этом не «зашиваются» в аппаратуру, а представляются в виде программ

стандартного микропроцессора. Такие программы могут быть размещены в

постоянных памятях различного типа.

Если требуется периодическое вмешательство человека в процесс

управления и вычислительные возможности микропроцессора не удовлетворяют

рассматриваемым приложениям, можно воспользоваться мини-машинами, такими,

как машины серии I фирмы IВМ, РDР-11 фирмы DЕС или NОVА фирмы Dаtа

General. Эти машины пригодны для управления многочисленными периферийными

устройствами, регистрации событий и данных в процессе их поступления, выдачи

ответов на запросы с терминала, обеспечения возможности изменения оператором

параметров управления, подготовки отчетов и даже для выполнения в моменты

небольшой загрузки программ обработки данных в мультипрограммном режиме.

В тех случаях, когда поток событий и данных, подлежащих обработке в

реальном времени, интенсивен и, кроме того, обработка связана с выполнением

сложных вычислений и использованием значительных объемов памяти, для

организации управления необходимы крупные процессоры. Системы,

ориентированные на военное применение, например система SАGЕ командного

управления противовоздушной обороны, система (SАGE Air Defence Command

Control System), система SACCS стратегического командного управления военно-

воздушными силами (Strategic Air Command Control System), система BMEWS —

противоракетная система раннего предупреждения (Ballistic Missile Early Warning

System), работают на больших установках, созданных специально для этих

приложений. В других случаях управление в режиме реального времени

осуществляется либо с помощью модифицированных стандартных процессоров,

либо стандартными процессорами соответствующей ориентации.

Характеристики процессора, определяющие его пригодность к управлению в

режиме реального времени, зависят в основном от выяснения причин и обработки

прерываний, диспетчирования задач, мощности и гибкости средств отсчета

времени (интервальный таймер, часы астрономического времени и т. д.). Особо