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

Подождите немного. Документ загружается.

важными характеристиками представляются способность быстро реагировать на

внешние прерывания, быстро запускать процессы и точно фиксировать

промежутки времени.

Обработка в реальном времени может оказаться настолько сложной и

объемной, что процессоры с подходящей для реального времени структурой

прерываний с ней не справятся. Тогда для управления диалогом с периферийными

устройствами применяют фронтальный процессор, а для выполнения громоздких

вычислений и преобразований — мощный вспомогательный процессор,

работающий под управлением фронтального.

Обработку информации в режиме реального времени довольно часто

проводят с помощью многопроцессорных или многомашинных комплексов. Такая

организация работы дает возможность повысить общую надежность системы, а

также увеличить эффективность управления путем распределения необходимых

функций между компонентами сети вычислительных машин.

Пример многомашинного комплекса для работы в режиме реального времени

приведен на рис. 3.2. Операционная часть комплекса состоит из трех

микропроцессоров, каждый из которых размещен вблизи соответствующего набора

датчиков, передающих информацию о том, как протекает технологический процесс

или лабораторный эксперимент. Эти микропроцессоры могут быть расположены в

недоступных для человека местах и, следовательно, работать полностью в

автономном режиме. Каждый микропроцессор в состоянии обеспечивать

непосредственное .выполнение команд управления соответствующим процессом. В

фиксированные моменты времени итоговая информация передается управляющей

мини-машине. Передача данных также может осуществляться при возникновении

определенных отклонений в рассматриваемом процессе или при его выходе за

фиксированные границы. Мини-машина поддерживает управляющий интерфейс,

распечатывает отчеты и организует хранение накопленных данных. Находящийся за

терминалом мини-машины оператор контролирует функционирование системы в

целом.

Существует множество вариаций управляющей системы, изображенной на

рис. 3.2. Операционная часть может быть однородной или содержать устройства с

различной структурой и различного назначения: она может обслуживаться

устройствами управляющей части системы как в монопольном режиме, так и в

режиме разделения времени. Процессоры операционной части могут быть

оснащены устройствами памяти различного объема, иметь различные управляющие

возможности, и на них могут выполняться программы различной сложности.

Наконец, устройства, входящие в любую из частей системы, могут быть связаны в

кольцевые структуры с помощью каналов ввода-вывода или через каналы связи по

протоколам телеобработки.

На рис. 3.3 показана структура системы, в большей мере подходящей для

решения задач командного управления вооруженными силами, чем для управления,

скажем, производственными процессами. Сигналы, поступающие на фронтальную

вычислительную машину от наземных радиолокационных станций и от устройств

слежения, расположенных на беспилотных самолетах, передаются основной (РRI)

управляющей вычислительной машине. Эта машина отслеживает курсы

обнаруженных самолетов противника и обеспечивает отображение всей

оперативной информации на большом экране в виде схемы, иллюстрирующей

воздушную обстановку. Пульт управления используется в основном для передачи

пилотам своих самолетов необходимых для перехвата данных, включая требуемую

скорость и курс, изменения параметров соответствующей части схемы воздушной

обстановки, а также моделирование последствий различных оперативных решений с

учетом применения противником всевозможных тактических маневров.

Существуют различные способы включения второй (SЕС) и третьей (ТЕRТ)

вычислительных машин в общую структуру системы. Эти машины могут, например,

располагаться на значительном расстоянии от основной (РRI) и друг от друга для

обеспечения устойчивой работы в случае вывода противником из строя одной или

двух машин. Конечно, с целью повышения надежности можно разместить

дополнительную ЭВМ рядом с основной. Одна из допустимых конфигураций

основной управляющей части системы изображена на рис. 3.3, внутри блока

«Внутренняя структура процессора». Фронтальная машина посылает оперативную

информацию машине РRI/I или, если она повреждена, — РRI/II. Машины РRI/I и

РRI/II имеют доступ ко всем данным, и обе могут выдавать на экран необходимую

оперативную информацию.

Если машины РRI, SЕС и ТЕRТ расположены на значительном удалении

друг от друга, то целесообразно так организовать функционирование системы,

чтобы все три машины одновременно и независимо обрабатывали одни и те

же данные. В рассматриваемом примере РRI представляет собой основную машину

в том смысле, что только ее выходная информация используется для управления

маневрами самолетов. Описанный способ организации работы типичен при

большом количестве исходной информации. Эта информация дублируется, что

позволяет машинам SЕС и ТЕRТ быстро взять на себя управление при выходе из

строя машины РRI. Если выработка оперативных рекомендаций возможна на основе

небольшого количества исходной информации, то машинам SЕС и ТЕRТ не

обязательно передавать все данные, пока РRI не вышла из строя. Так, в случае

управления ходом боевых действий в воздухе информация, необходимая для

определения параметров перемещения всех боевых средств противника, может быть

собрана в течение нескольких миллисекунд, и передача управления

вспомогательной ЭВМ при необходимости выполняется быстро, поскольку при

этом не требуется отслеживание информации за предшествующие интервалы

времени.

При размещении РRI, SЕС и ТЕRТ в непосредственной близости друг от

друга или при наличии в центре управления нескольких вычислительных машин

можно проверять правильность функционирования системы, сравнивая результаты

обработки одних и тех же данных различными машинами.

Описание всех вариантов работы в реальном времени заняло бы слишком

много места. Поэтому отметим лишь общую черту рассмотренных систем —

устойчивость по отношению к разного рода отказам и сбоям. Существуют процессы,

допускающие после сбоя временную работу в условиях частичной деградации,

которая приводит к приостановке выполнения некоторых второстепенных функций

или к замедлению реакции системы. Такой порядок работы применим, например,

при управлении движением городского транспорта или полетами гражданских

самолетов.

3.3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Структура программного обеспечения систем реального времени зависит от

условий применения, от процессоров, используемых в качестве узлов системы (если

последних несколько, как, например, в случаях, показанных на рис, 3.2 и 3.3), и от

их взаимосвязи.

Однако, несмотря на различие приложений и числа узлов, все системы

реального времени во многом сходны между собой. Основное сходство таких

систем заключается в том, что любая из них строится по принципу управления от

очередей или событий. Этот принцип находит непосредственное отражение в

структуре программного обеспечения и состоит в выборе для выполнения

определенных программ при получении сообщений соответствующих типов. При

реализации же принципа управления от процессов механизм событий является всего

лишь вспомогательным средством организации распределения ресурсов и их

эффективного использования.

Главный компонент системы реального времени — обработчик очередей,

который запрашивает и принимает сообщения о внешних событиях, осуществляет

их анализ и вызывает для выполнения нужные программы. Эти программы либо

обращаются за требуемыми данными, либо получают их при вызове обработчика

очередей. Выбираемая стратегия часто зависит от того, может ли быть системе

заранее известно, какие данные соответствуют сообщениям в момент их приема.

Другая характерная особенность рассматриваемых систем заключается в том,

что данные принимаются в реальном времени и поэтому программа обработки

постоянно готова или почти готова к выполнению. Это может быть обеспечено

размещением всей обрабатывающей программы или большей ее части в основной

памяти. Обрабатывающие программы могут не быть резидентными только в том

случае, если механизм управления памятью столь прост и «реактивен», что

позволяет в определенные моменты загружать и запускать их практически без

потери времени.

Соответственно стратегия работы процессора, выполняющего программы

укрепления, обычно весьма проста. Переход к выполнению следующей программы

осуществляется, как правило, по завершении предыдущей или по истечении

установленного интервала времени. Следует отметить, что в большинстве своем

рассматриваемые системы не ориентированы на диспетчирование программ с целью

установления оптимального распределения нагрузки между каналами, ЦП и

устройством памяти.

Последовательность работы вычислительной машины определяется

протекающим процессом. Выполняющиеся программы завершаются либо

самостоятельно, либо принудительно по истечении отведенных им обработчиком

очередей интервалов времени. Обработчик очередей при этом играет роль монитора.

Каждая обрабатывающая программа может получить управление на

гарантированный заданный отрезок времени, воспользоваться службой времени и

организовать быстрый вызов требуемых подпрограмм. В системах реального

времени обрабатывающие программы отличаются наибольшей степенью

взаимодействия с физическими устройствами, в связи с чем на прикладных

программистов возлагается ответственность за синхронизацию, сохранение

целостности системы и т. д.

Зачастую для управления производственным или иным процессом

необходимо создание специализированной проблемно-ориентированной системы,

поэтому производится совместная разработка оборудования, операционной системы

и прикладных программ. Стандартные операционные системы для работы в

реальном времени применяются довольно редко.

Совместная разработка аппаратуры, операционной системы и прикладных

программ определяет многие характеристики специализированных систем

реального времени. Поскольку при создании операционной системы уже известны

основные характеристики прикладных программ, нетрудно установить соотношения

между ними, рассчитать значения нагрузки на систему в различных условиях, а

также строго зафиксировать множество входных и выходных параметров. А это

значит, что многие стандартные функции операционной системы могут быть

упрощены или даже упразднены. В частности, поскольку запуск программ

происходит только после приема сообщений о внешних событиях, привлечение

обобщенных алгоритмов распределения ресурсов становится бессмысленным.

Аналогично операционная система может не поддерживать стандартных средств

связи между программами, так как все необходимые программы заранее известны и

их общение организуется в каждом конкретном случае с помощью

специализированных интерфейсов.

Читателю, без сомнения, ясно, что наличие режима управления и

привилегированных команд в специализированных системах разделения времени

иногда осложняет работу. Например, если в значительном числе программ

обработки событий предусмотрено обращение к часам или таймеру и если это

обращение реализуется привилегированными командами, для выполнения которых

необходим переход в режим управления, то частые переходы в режим управления и

обратно могут замедлить выполнение основных функций. Однако эту трудность

легко преодолеть — достаточно лишь все прикладные программы запускать

непосредственно в режиме управления. Заметим тем не менее, что стремление к

быстроте управления ценой ухудшения защиты памяти влечет за собой

возникновение серьезных проблем, поскольку при снижении нагрузки на

управляющую часть системы в данном случае мы не можем быть гарантированы от

определенных ошибок и злоупотреблений.

Наконец, последняя характерная особенность систем реального времени

заключается в том, что в них обычно отсутствуют средства программирования и

отладки. Для создания прикладной системы может потребоваться предварительная

разработка специальных средств программирования и отладки или применение уже

существующих операционных систем, располагающих необходимыми средствами.

Системы реального времени могут программироваться и отлаживаться на

вычислительных машинах, имеющих иную архитектуру, нежели машина, на

которой разработанная система будет функционировать. При этом в процессе

создания операционной системы реального времени, как правило, используются

кросс-ассемблеры и кросс-компиляторы. Такие ассемблеры и компиляторы,

выполняясь на одних машинах, генерируют коды для других машин.

Метаассемблером называется ассемблер, способный генерировать коды для машин

любой архитектуры при соответствующем описании этой архитектуры.

Если система реального времени предусматривает введение микромашин, то

ее программирование и отладка выполняются на расширенной модели

микромашинной системы. Система, в которой производится разработка, может

предоставлять средства непосредственного заполнения информацией постоянных

управляющих памятей после генерации требуемых кодов.

Однако совместная разработка аппаратуры, операционной системы

прикладных программ осуществляется не для всех систем реального времени. С

целью обеспечения необходимой эффективности прикладным программам может

предоставляться системный интерфейс довольно низкого уровня. Некоторые

системы реального времени способны одновременно управлять несколькими

различными процессами. Возможно одновременное управление двумя процессами

реального времени, но наибольшее распространение получило управление одним

процессом с помощью программ «переднего плана» в сочетании с фоновым

решением задач пользователей в пакетном режиме. Программы переднего плана

имеют более высокий приоритет, чем фоновые программы. Следовательно,

ресурсы системы передаются в распоряжение фоновых программ только тогда,

когда нет работ переднего плана. С появлением таких работ выполнение фоновых

программ прекращается. Кроме того, при распределении ресурсов

низкоприоритетным программам стремятся к тому, чтобы не допустить снижения

оперативности выполнения работ программ переднего плана или по крайней мере

свести его к минимуму.

Существует целый ряд обобщенных систем реального времени, которые

могут работать как на больших, так и на малых установках. Заметим, что такие

системы не всегда используются для управления в реальном времени так, как было

описано выше. Смежная область обработки транзакций, хотя и напоминает

управление в реальном времени, не имеет таких жестких временных рамок,

допускает непосредственное участие человека в процессе обработки и т. д.

Обработка транзакций может выполняться на базе систем, во многом сходных с

системами реального времени.

Типичная мини-машинная система реального времени предусматривает

строгое разбиение памяти на разделы программ переднего плана и фоновых. Раздел

фоновых программ, обрабатываемых в пакетном режиме, может быть только один.

Разделов же программ переднего плана, наоборот, обычно бывает много (возможно,

несколько сотен). Это связано с необходимостью организации обрабатывающей

программы в виде совокупности большого числа задач. Разбиение памяти задается в

момент генерации системы. Задача выполняется в определенном разделе. Задачей

называется планируемая для выполнения программная единица, которая может быть

загружена в один из разделов. В некоторых системах задачи заранее распределяются

по разделам, но чаще очередная задача загружается в произвольный свободный

раздел. Операционная система включает механизмы запуска задач и их

синхронизации. Задачи могут обмениваться параметрами, прерываясь для их

приема. Связь между задачами осуществляется через общую память, также

оформленную как раздел. Различные задачи могут обращаться к одним и тем же

программам, помещенным в общедоступный раздел резидентной библиотеки.

Операционные системы нередко обеспечивают простую среду выполнения, в

которой одни программы пользователей рассматриваются как управляющие задачи,

а другие — как рабочие. Статус управляющих задач позволяет прикладным

программистам создавать собственные алгоритмы планирования и управления.

Соответствующий системный интерфейс может быть очень низкоуровневым. В

данном случае это связано с тем, что при необходимости обращения к системе

прикладная программа должна всякий раз формировать специальную структуру

запроса (блок управления), описывающую требуемую услугу. Для сравнения

приведем пример с высокоуровневым интерфейсом. Команда GЕТ‘А’ сообщает

системе, что требуется очередная запись из файла А. Предполагается, что в системе

уже имеется полное описание структуры ‘А’ Известны формат записей этого файла,

соответствующее ему физическое устройство и т. д. Интерфейс низкого уровня

также позволяет запрашивать выполнение указанных действий, но для этого

предварительно следует задать целое множество значений параметров, с помощью

которых системе передается вся необходимая информация.

Обычно каждой системе соответствует некоторый командный язык.

Назначение такого языка — обеспечить возможность управления распределением

устройств, запуска и остановки задач, изменения приоритетов. В небольших

системах реального времени от командного языка зависит операционная гибкость.

Поскольку раздел фоновых программ часто предназначается для работы

компиляторов, редакторов текстов и различного рода утилит, системы реального

времени в определенной степени допускают создание и отладку новых программ

непосредственно на базе управляющей установки.

3.4. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПАКЕТНОГО РЕЖИМА

Понятие пакетного режима связано со способом доступа к вычислительной

системе. Собственно пакетный режим — это такой порядок работы, при котором

вычислительный центр принимает заявки на выполнение заданий и формирует

поток независимых заданий в пакеты, которые загружаются в машину и

обрабатываются системой в последовательности, определяемой администрацией

вычислительного центра. Идея группировки заданий в пакеты в значительной мере

связана с проблемой организации выполнения коротких заданий, в частности, при

разработке программ. Скорости машин второго поколения оказались уже настолько

высокими, что время, затрачиваемое оператором на подготовку задания к вводу и

оформление результатов, значительно превысило чистое время его обработки.

Относительно продолжительные простои оборудования вызывались

необходимостью переставлять ленты по окончании выполнения очередного задания,

что занимало несколько минут, тогда как время обработки задания также

исчислялось минутами.

В конце 50-х годов средства разработки программ представляли собой

некоторое расширение компилятора, позволявшее программисту отдавать колоду

перфокарт на вычислительный центр и через какое-то время получать результаты

счета. Это время обращения, т. е. время с момента приема вычислительным центром

перфокарт до момента выдачи результатов, составляло несколько часов. Конечно,

для программиста очень важно, чтобы время выполнения задания было

минимальным, но самое главное — это обеспечить его предсказуемость.

С помощью предложений языка управления и программных средств

пользователь может задавать различные параметры компиляции, организовывать

компиляцию с последующим выполнением, запрашивать выдачу дампов,

различного рода трасс и листингов, выводить информацию на перфокарты, одним

словом, использовать все имеющиеся возможности программирования и отладки.

Пакетный режим был предложен с целью повышения общей эффективности

функционирования системы путем уменьшения потерь при переходе от одного

задания к другому, а также при переходе от задачи к задаче в рамках одного

задания. Этот режим помогает также избежать вынужденных простоев при отладке

программ, когда пользователь изучает распечатку и дает указания оператору по

исправлению ошибок. Как выяснилось, эффективность программирования

повышается, если программист освобождается от необходимости

непосредственного общения с машиной. Кроме того, пользователи в период

обработки своих заданий могут заняться каким-нибудь другим полезным делом. До

сих пор существует мнение, что быстрая и регламентированная пакетная обработка

позволяет максимально увеличить эффективность процесса отладки, особенно если

пользователям не может быть предоставлен оперативный доступ к терминалу. Это, в

частности, справедливо по отношению к программистам, которые сначала пишут

программу целиком, а затем лишь вводят ее с терминала.

Операционные системы, поддерживающие пакетный режим и

ориентирующиеся на обработку входного потока, могут также применяться для

обеспечения организации вычислительного процесса. Наиболее простые системы

выдают оператору указания о загрузке перфокарт через устройство ввода и

установке лент и дисков в соответствии с инструкциями планировщика. Более

совершенные системы могут выполнять задания, избавляя операторов от забот,

связанных с запуском.

В общем, назначение операционной системы пакетного режима —

организовать выполнение различных по объему заданий таким образом, чтобы

минимизировать расходы на запуск каждого задания, обработку возникающих при

его выполнении аварийных ситуаций и переход к обработке следующего задания.

Во входном потоке заявки на компиляцию, рабочий прогон, компиляцию и

тестирование, просто тестирование и т. д. могут встречаться в самых разнообразных

комбинациях.

Операционные системы пакетного режима характеризуются высокой

степенью сложности и гибкости механизма распределения ресурсов. Они отражают

попытку создания приемлемых условий для работы коллектива различных

пользователей в случае, когда заранее точно не известны ни уровень нагрузки на

систему, ни требуемые экономические параметры, ни необходимое время реакции

применяемой установки. Далее мы рассмотрим три широких подкласса

операционных систем пакетного режима, а именно:

• базисные пакетные системы без мультипрограммирования;

• базисные пакетные системы с мультипрограммированием;

• развитые пакетные системы с мультипрограммированием;

3.5. БАЗИСНЫЕ ПАКЕТНЫЕ СИСТЕМЫ

БЕЗ МУЛЬТИПРОГРАММИРОВАНИЯ

Пакетные системы без мультипрограммирования постепенно уходят в

прошлое. Однако, пересмотрев спустя много лет пособия и материалы по FMS

(Fоrtrаn Моnitor System — мониторная Фортран-система) и системе IВSYS/IBJOB

для IВМ 7094, авторы были поражены тем, насколько они элегантны, структурно

завершены и не похожи на исторических предшественников сегодняшних систем.

FMS и IBSYS/IВJOВ обладали почти всеми основными свойствами развитых

систем, включая наличие управления во входном потоке, высокоуровневой

поддержки операций ввода-вывода, механизма перемещения программ и

независимости от устройств. Кроме того, в этих системах использовалась идея

«сокрытия» машины под операционной системой и другими элементами

программного обеспечения.

Системы FMS и IВSYS были построены на хорошей концептуальной основе.

В конце 50-х годов в связи с расширением возможностей вычислительных машин,

увеличением их сложности и возникновением уже тогда серьезной проблемы

стоимости программирования и профессиональной подготовки программистов

пришлось пересмотреть с целью повышения эффективности установившиеся

традиции работы на вычислительной машине. Часть прежних обязанностей

программистов взяли на себя компиляторы, и дефицитные ресурсы стали

использоваться для автоматизации программирования. Получили широкое

распространение предшественники языков Фортран и Кобол. Появились

макроассемблеры (до сих пор непревзойденные по изощренности), а также системы

управления вводом-выводом, во многом подобные современным. Удалось

реализовать принцип перемещаемости программ, поскольку подпрограммы из

разных библиотек, в том числе библиотек ввода-вывода, вызывались при

выполнении различных операций в различные области памяти. Уже существовали

интерпретаторы, хотя применялись они не часто из-за значительного замедления

процесса вычислений по сравнению с компиляцией и последующего выполнения

программ на машинном языке.

Чтобы получить представление о степени развитости ранних языков

программирования, мы можем рассмотреть макроассемблер — автокодировщик

IOCS. Автокодировщик имел стандартные макрокоманды GЕТ, РUТ, ОРЕN, СLOSE,

SЕЕК. SСAN, функции которых близки к функциям аналогичных операторов

современных систем. Кроме того, в рамках программ на языке Ассемблера можно

было с помощью конструкций, напоминающих предложения JCL, осуществлять

распределение устройств ввода-вывода, давать описания меток и указывать, какой

тип доступа, прямой или последовательный, требуется для работы с диском.

Описывался каждый используемый программой файл, причем описание включало

адрес начала и размеры рабочей области, размер блока и формат записей

(переменной или фиксированной длины). Почти все типы параметров, известные

сегодня, существовали и в прежних системах.

Первые системы программного обеспечения включали программу-сборщик,

или, как ее еще называли, связывающий загрузчик. Такой загрузчик позволял

помещать в единую область памяти и совместно выполнять независимо

скомпилированные программы, а также связывать программы пользователей с

необходимыми библиотечными подпрограммами. До появления загрузчиков