Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-11

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим раз-

деляемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения про-

цессорного времени между несколькими одновременно существующими в сис-

теме процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди

множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выде-

лить две группы алгоритмов:

• невытесняющая многозадачность (Novell NetWare 3.х, Windows 3.x);

• вытесняющая многозадачность (Windows NT/2000, OS/2, Unix).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариан-

тами многозадачности является степень централизации механизма планирова-

ния процессов. Вытесняющая многозадачность означает, что ОС контролирует

все ресурсы (оперативную память, процессорное время и т.п.), определяет, какие

службы их используют в данный момент и какое время они могут продолжать их

использовать. При невытесняющей многозадачности

процессы работают без не-

посредственного контроля со стороны ОС. Ответственность за корректное пове-

дение системы в целом возлагается на все приложения и их разработчиков. При

невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор,

пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной

системе для того, чтобы та выбрала из очереди

другой готовый к выполнению

процесс.

Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем

является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи.

Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их

отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является

отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки

– мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению

всех алгоритмов управления ресурсами.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу органи-

зации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

асимметричные ОС и симметричные ОС.

При использовании асимметричной многопроцессорности только один

или несколько процессоров выполняют задачу поддержки ОС. Все другие про-

цессоры заняты поддержкой дополнительных функций,

таких как пользователь-

ские приложения системы, служба сети, т.е. распределяют прикладные задачи по

остальным процессорам. Системы, использующие асимметричную многопро-

цессорность, обычно сильно привязаны к конкретной аппаратной платформе,

что противоречит принципу переносимости. В то же время асимметричную мо-

дель проще реализовать.

В симметричной модели многопроцессорности ОС и службы приложе-

ний распределяются

по всем свободным процессорам. Иными словами, симмет-

ричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров,

разделяя их между системными и прикладными задачами.

Сегодня становится общепринятым введение в ОС функций поддержки

многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются, в частности, в

операционной системе Unix.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-12

Заметим, что многозадачность и многопроцессорность – разные понятия,

хотя многозадачность поддерживает многопроцессорность. Многозадачность

появляется благодаря совместным усилиям микропроцессора и операционной

системы. Например, можно запустить MS DOS (однозадачная ОС) на четырех-

процессорной системе, но все равно будет выполняться только одна задача. В то

же время, если запустить ОС Unix (многозадачная ОС) на процессоре, не под-

держивающем

многозадачности, то процессор не позволит реализовать возмож-

ность многозадачности этой ОС. Только многозадачная ОС, работающая на од-

ном или нескольких процессорах, поддерживающих многозадачность, – единст-

венный способ достигнуть истинной многозадачности.

Отметим, однако, что в случае использования однопроцессорной систе-

мы микропроцессор должен распределять свое время между различными зада-

чами. Высокая скорость, с

которой процессор переключается между задачами,

создает у пользователя иллюзию, что одновременно выполняется более одной

задачи, т.е. иллюзию многозадачности.

Особенности областей использования ОС

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с ис-

пользованными при их разработке критериями эффективности:

• системы пакетной обработки (например, OC EC);

• системы разделения времени (например, Unix);

•

системы реального времени (например, OS9, QNX).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в

основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения ре-

зультатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обра-

ботки является максимальная пропускная способность, то есть решение мак-

симального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах

пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в нача-

ле работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к

системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная

смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременно-

го выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к

ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех

устройств

вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желатель-

но одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным

вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зави-

сит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается

«выгодное» задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать вы-

полнение того

или иного задания в течение определенного периода времени. В

системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной за-

дачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача

сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить

операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор,

что делает невозможным

выполнение интерактивных задач.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-13

Системы разделения времени. В системах разделения времени каждой

задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не зани-

мает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант

выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно рабо-

тающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из

них единолично использует машину. Критерием эффективности систем разде-

ления времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и

эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными

техническими объектами, такими, например, как научная экспериментальная ус-

тановка, или технологическими процессами, такими, как прокатный стан, агре-

гаты ковки, штамповки и т.п

. Во всех этих случаях существует предельно допус-

тимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа,

управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник

выйдет из зоны видимости; экспериментальные данные, поступающие с датчи-

ков, будут потеряны; качество проката и поковок не будет соответствовать стан-

дартам. Таким

образом, критерием эффективности для систем реального вре-

мени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы вре-

мени между запуском программы и получением результата (управляющего воз-

действия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее

свойство системы – реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь

представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а

выбор

программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния

объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства сис-

тем разных типов; например, часть задач может выполняться в режиме пакетной

обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения вре-

мени. В

таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым ре-

жимом.

Тенденции в структурном построении ОС

Как уже отмечалось выше, для удовлетворения требований, предъявляе-

мых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение.

Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных сис-

тем к хорошо структурированным модульным системам, способным к развитию,

расширению и легкому переносу на новые платформы.

К базовым концепциям построения ОС относятся:

• способ

построения ядра системы – монолитное ядро;

• микроядерный подход.

ОС с монолитным ядром

Операционную систему в общем случае можно представить как про-

граммную систему, состоящую из ядра, являющегося резидентным в памяти

ЭВМ и обеспечивающего непосредственный интерфейс с аппаратной средой, а

также обработку запросов на обслуживание активных в данный момент вычис-

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-14

лительных процессов П

на основе того или иного механизма приоритетов

(рис. 2.3) [1].

Таким образом, ядро содержит ту часть ОС, которая непосредственно

обеспечивает функционирование основных компонент аппаратной среды ЭВМ,

обрабатывает и обслуживает наиболее массовые запросы процессов и обеспечи-

вает непосредственный интерфейс с аппаратурой.

Получив запрос на обслуживание от П

– процесса, ядро обрабатывает и

обслуживает его на основе некоторого механизма приоритетов. Ядро ОС не яв-

ляется монолитом и состоит из целого ряда отдельных программ (планировщика,

обработчика запросов, администратора ОС, драйверов внешних устройств и

т.д.), управляющих различными ресурсами ЭВМ и в первую очередь вычисли-

тельными, управления, планирования.

Первые ОС, такие

как MS DOS, использовали монолитное ядро, которое

компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и

использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие

переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот.

В общем случае «структура» монолитной системы представляет собой

отсутствие структуры (рис. 2.4). ОС написана как набор процедур, каждая из

ко-

торых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой

техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в

терминах параметров и результатов и каждая вольна вызвать любую другую для

выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все

отдельные процедуры, а затем

связать их вместе в единый объектный файл с по-

мощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра Unix или

Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие

……

…

Ядро операционной системы

Аппаратная среда ЭВМ

……

…

……

…

Рис. 2.3. Принципиальная организация операционной системы ЭВМ

……

…

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-15

от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации явля-

ется локальной для модуля и процедуры модуля можно вызвать только через

специально определенные точки входа).

Однако даже такие монолитные системы могут быть немного структури-

рованными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, пара-

метры помещаются в строго определенные места, такие как

регистры или стек, а

затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра

или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользова-

теля в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управ-

ление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить,

какой системный вызов должен быть

выполнен. После этого ОС индексирует

таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую про-

цедуру. Такая организация ОС предполагает следующую структуру:

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процеду-

ры.

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Системный интерфейс

Запись

файла

Чтение

файла

Чтение

блока

Запись

блока

Печать

файла

Аппаратурные средства ЭВМ

Модули опе-

рационной

системы

Рис. 2.4. Монолитная структура операционной системы:

все процессы работают последовательно, нет возможности

планировать их выполнение

Приложение

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-16

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная

процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервис-

ным процедурам. Это деление процедур на три слоя показано на рис. 2.5.

Системный интерфейс

Запись

символа

Чтение

символа

Чтение

блока

Копирование

файла

Удаление

файла

Перемещение

файла

Режим яд

Режим задачи

Сервисные

утилиты

Системные

утилиты

Запись

блока

Аппаратурные средства ЭВМ

Рис. 2.5. Простая структуризация монолитной операционной системы:

ядро осуществляет планирование и выполнение задач

Приложение

ОС на основе микроядра

Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающе-

го также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум

функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высо-

кого уровня выполняют специализированные компоненты ОС, работающие в

пользовательском режиме.

Подход с использованием микроядра заменил вертикальное распределе-

ние функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие

выше микроядра, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микрояд-

ро, взаимодействуют друг с

другом непосредственно. Микроядро играет роль

регулировщика. Оно проверяет сообщения, пересылает их между модулями и

предоставляет доступ к аппаратуре (рис. 2.6).

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-17

Архитектура «микроядро» означает, прежде всего, построение ОС по

принципу модульности, а размер ядра играет не главную роль. При этом микро-

ядро реализует базовые функции операционной системы, на которые опираются

другие системные службы и приложения. Основная проблема при конструиро-

вании микроядерной ОС – это выделение функций системы, которые можно вы-

вести из

ядра. Функциональные возможности такой системы наращиваются не

путем добавления новых функций в микроядро, а за счет подключения новых

процессов, обеспечивающих дополнительный сервис. Поэтому поддержка фай-

ловой системы, сетевой обработки, графического интерфейса и других сервисов

не является функцией микроядра, как в других ОС. Эти сервисы обеспечиваются

отдельными процессами. Лежащие вне микроядра компоненты

, пользуясь сред-

ствами микроядра для обмена сообщениями, взаимодействуют непосредственно.

Микроядро лишь проверяет корректность сообщений, организует их передачу и

обеспечивает доступ к аппаратуре.

Целью создания ОС на основе микроядра является не желание сделать ее

как можно меньше по размеру, а стремление обеспечить большую гибкость за

счет модульной структуры. Небольшой размер микроядра

является, несомненно,

положительным, но все-таки побочным эффектом.

Микроядро реализует жизненно важные функции, лежащие в основе

операционной системы. Это базис для менее существенных системных служб и

приложений. Именно вопрос о том, какие из системных функций считать несу-

Запрос

Ответ

Модуль

принтера

Режим яд

Модуль

процессора

Режим задачи

Сетевой

модуль

Файловый

модуль

Модуль

памяти

Микроядро

Ответ

Запрос

Приложение

Аппаратурные средства ЭВМ

Рис. 2.6. Структура модульной операционной системы:

микроядро обладает минимальным набором системных утилит

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-18

щественными и, соответственно, не включать их в состав ядра, является предме-

том спора среди соперничающих сторонников идеи микроядра. В общем случае

подсистемы, бывшие традиционно неотъемлемыми частями операционной сис-

темы – файловые системы, управление окнами и обеспечение безопасности –

становятся периферийными модулями, взаимодействующими с ядром и друг с

другом.

Главный принцип разделения работы между

микроядром и окружающи-

ми его модулями – включать в микроядро только те функции, которым абсолют-

но необходимо исполняться в режиме супервизора и в привилегированном про-

странстве.

Высокая степень переносимости таких систем обусловлена тем, что весь

машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса систе-

мы на новый процессор требуется меньше

изменений и все они логически

сгруппированы вместе. Технология микроядер является основой построения

множественных прикладных сред, которые обеспечивают совместимость про-

грамм, написанных для разных ОС. Абстрагируя интерфейсы прикладных про-

грамм от расположенных ниже операционных систем, микроядра позволяют га-

рантировать, что вложения в прикладные программы не пропадут в течение не-

скольких лет, даже

если будут сменяться операционные системы и процессоры.

Как мы уже отмечали, расширяемость также является одним из важных

требований к современным операционным системам. Увеличивающаяся слож-

ность монолитных операционных систем делала трудным, если вообще возмож-

ным, внесение изменений в ОС с гарантией надежности ее последующей работы.

Ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра

открывает

путь к упорядоченному росту и эволюции ОС.

Сегодня стало ясно, что имеется тенденция движения от монолитных

систем к системам с использованием небольших ядер. Именно такой подход уже

использовался компаниями QNX Software, OS9, в течение нескольких лет по-

ставляющими пользующиеся успехом операционные системы реального време-

ни на основе микроядра.

2.2.2. Общая характеристика операционных систем

общего

назначения

До недавнего времени вопрос о выборе операционной системы для пер-

сональных компьютеров вообще не ставился. Все пользователи находились в

равных условиях – в среде MS DOS. Но с развитием аппаратных средств на сце-

ну начали выходить операционные системы Windows NT/2000, OS/2, Unix –

Linux.

Рассмотрим кратко наиболее распространенные операционные систе-

мы.

MS DOS – 16-разрядная диалоговая операционная система

фирмы

Microsoft появилась в 1981 г. Еще совсем недавно эта операционная система бы-

ла установлена на подавляющем большинстве персональных компьютеров.

Взаимодействие пользователя с операционной системой MS DOS построено по

принципу диалога: пользователь набирает в командной строке на клавиатуре

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-19

нужную команду и нажимает клавишу Enter, после чего MS DOS выполняет вве-

денную команду. С технической точки зрения Windows 3.х является операцион-

ной средой, а не системой, поскольку сама работает под управлением MS DOS.

Microsoft Windows 95 (с 1995 года), Windows 98 (с 1998 года), Windows

NT (с 1993 года), Windows 2000 – это многозадачные 32-разрядные операцион-

ные системы с графическим интерфейсом и расширенными системными

воз-

можностями. Windows 95 – первая полномасштабная операционная система се-

мейства Windows, не требующая MS DOS. Windows 95/98 – интегрированная

среда, обеспечивающая эффективный обмен текстовой, графической, звуковой и

видеоинформацией между отдельными программами. В Windows 95/98, как и в

других операционных системах, много действий самой операционной системы

скрыты от пользователя, что, безусловно, упрощает общение пользователя с

компьютером. Для работы достаточно наглядных операций с

небольшими зри-

тельскими образами файлов и папок.

В Windows 95/98 по сравнению с MS DOS для обозначения родственных

понятий используется ряд новых терминов. В частности, вместо термина «про-

грамма» чаще используется термин «приложение», который обозначает про-

грамму, выполняемую под управлением Windows. Понятие «папка» служит для

обозначения хранилища документов и программ, структуру которых можно

про-

смотреть с помощью проводника Windows или значка Мой компьютер. В пре-

дыдущей версии Windows и в MS DOS папки назывались каталогами.

В феврале 2000 года корпорация Windows представила на рынок семей-

ство операционных систем, включающее в себя четыре продукта: ОС для на-

стольных и мобильных компьютеров Windows 2000 Professional; серверную ОС

для приложений начального уровня Windows 2000 Server; серверную ОС для

приложений

электронной коммерции и критически важных для бизнеса прило-

жений Windows 2000 Advanced Server; серверную ОС для наиболее требователь-

ных к надежности и масштабируемости решений Windows 2000 Datacenter

Server.

Операционная система Unix, созданная корпорацией Bell Laboratory, и

современная Unix-подобная операционная система Linux. Linux – это одна из

современных операционных систем для персональных компьютеров и рабочих

станций.

В России активно ведутся работы по локализации

ОС Linux. Казалось

бы, в нашей стране у бесплатной Linux есть неплохие шансы стать конкурентом

ОС Windows, за которую приходится платить. Бесплатный продукт StarOffice и

ряд других продуктов уже сегодня являются приемлемой альтернативой самым

популярным программным продуктам Windows – Word, Excel Power Point. Тем

не менее многие специалисты утверждают, что у Linux нет шансов в ближайшем

будущем составить серьезную конкуренцию Windows

на российском рынке. Не-

смотря на продолжающиеся споры специалистов по системам управления на те-

му «что лучше – Unix, Linux или Windows NT?», рынок однозначно сделал вы-

бор в сторону последней. Решающим для быстрого роста популярности стала ее

открытая архитектура и эффективные средства разработки приложений, что по-

зволило многочисленным фирмам-разработчикам создавать программные про-

дукты для

решения широкого спектра задач.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-20

Независимо от версии, общими для ОС Unix чертами являются:

• многопользовательский режим со средствами защиты данных от не-

санкционированного доступа;

• реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения вре-

мени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей много-

задачности (preemptive multitasking);

• использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для по-

вышения уровня мультипрограммирования;

• унификация операций ввода

-вывода на основе расширенного исполь-

зования понятия «файл»;

• иерархическая файловая система, образующая единое дерево катало-

гов независимо от количества физических устройств, используемых

для размещения файлов;

• переносимость системы за счет написания ее основной части на языке

• разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и че-

рез сеть;

•

кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к фай-

лам.

Данная операционная система реализует принцип открытых систем и

широкие возможности по комплектованию в составе вычислительной системы

разнородных технических и программных средств. Операционная система Unix

основана, как и MS DOS, на работе с командной строкой, но, по сравнению с MS

DOS, она значительно сложнее. Ядро этой

операционной системы написано на

языке высокого уровня (С и другие) и поэтому не привязано к конкретной плат-

форме. Одним из наиболее существенных преимуществ данной ОС является да-

же не только ее переносимость на различные типы и классы ЭВМ, но и наличие

в ней обширных библиотек и средств для разработки программного

обеспече-

ния, а также поддержка огромного множества прикладных программ, языков

программирования. ОС Unix получила наибольшее распространение для супер-

компьютеров, рабочих станций и профессиональных персональных компьюте-

ров, она чрезвычайно популярна в университетах, НИИ, компьютерных центрах

и компьютерных сетях. Даже Internet уходит своими корнями в Unix. Среди спе-

циалистов существует мнение: «Когда программисту требуется защитить свой

гарем персоналок, он призывает на помощь Unix». Однако система Unix, осо-

бенно для ПК, имеет ряд недостатков (высокую стоимость, недостаточно разви-

тые средства диагностики, достаточно сложный интерфейс с пользователем и

др.). Для удобства работы имеется графический интерфейс пользователя. Таким

стандартом для графического пользовательского интерфейса, реализованного

для всех Unix-систем, является X Window .

Операционная система Solaris. Solaris 2.x – это

операционная система

компании Sun, базирующаяся на Unix System V Release 4. Она включает:

• базовую операционную систему SunOS 5.x и систему сетевой под-

держки ONC (Open Network Computing);

• набор вспомогательных утилит (диспетчер файлов, почту, печать, ка-

лендарь и другие) DeskSet версии 3.х.