Операционная система

1. Назначение и основные  функции операционной  системы.

Под термином операционная система мы будем понимать комплекс программ, функциями которого является контроль за использованием и распределением ресурсов вычислительной системы. Мы говорили, что в вычислительной системе есть физические ресурсы, то есть те ресурсы, которые связаны с реальным оборудованием. Мы говорили также, что в системе для ее успешного функционирования имеются логические ресурсы, то есть ресурсы, которые в виде реального оборудования не существуют, но реализуются в виде некоторых средств, предоставляемых пользователю. Физические и логические ресурсы мы будем называть просто ресурсами вычислительной системы.

Любая операционная система (ОС) оперирует  некоторыми сущностями, которые вместе со способами управления ими во многом характеризуют ее свойства. К таким сущностям могут относиться понятия файла, процесса, объекта, и т.д. Каждая ОС имеет свой набор таких сущностей. К примеру, в ОС Windows NT к таким сущностям можно отнести понятие объекта, и уже через управление этой сущностью предоставляются все возможные функции. Если мы посмотрим UNIX, то в ней такой сущностью, в первую очередь, является понятие файла, а во вторую очередь, понятие процесса.

Процесс - это некоторая сущность, которая  присутствует практически во всех ОС. Процесс - это программа, имеющая права собственности на ресурсы. Рассмотрим две программы (то есть код и данные, которые используются) и рассмотрим все те ресурсы, которые принадлежат программе. Если множества ресурсов, принадлежащих двум программам, совпадают, то в этом случае мы не можем говорить об этих программах, как о двух процессах, - это один процесс. Если у каждой программы есть свое множество ресурсов, причем, эти множества могут пересекаться, но не совпадать, то мы говорим о двух процессах.

В том  случае, когда множества ресурсов нескольких процессов имеют непустое пересечение, то у нас возникает  вопрос об использовании, так называемых, разделяемых ресурсов. Частично мы говорили об этом на прошлой лекции: вспомните пример с устройством печати. У нас может быть несколько процессов, каждый из которых имеет в качестве своего ресурса устройство печати и в каждый момент времени может обратиться к этому ресурсу с заказом на печать какой-то информации. Синхронизация работы процессов на примере устройства печати иллюстрировала нам одну из функций ОС, заключающуюся в управлении функционированием процессов. Давайте посмотрим, что понимается под управлением процессом. 

Управление  процессами:

1. Управление использованием  времени центрального процессора.

2. Управление «подкачкой» и буфером ввода.

3. Управление разделяемыми ресурсами. 
 
 
 
 
 

       1

Теперь давайте  посмотрим на конструкцию ОС. Практически  любая ОС имеет понятие ядра. Ядром  ОС обычно  является  ее резидентная  часть, то есть та часть ОС, которая не участвует в процессах подкачки (она всегда присутствует в оперативной памяти) и работает в режиме ОС, или в режиме супервизора. В ядро входят базовые средства управления основными сущностями, характерными для данной ОС, а также может входить набор программ, обеспечивающих управление некоторыми физическими

устройствами. В  функции ядра, в частности, входит обработка прерываний.

Мы иногда будем называть программы, управляющие  ресурсами, драйверами устройств. К примеру, в ядро ОС должен входить драйвер оперативного запоминающего устройства.

Далее, вокруг ядра наращиваются программы  управления ресурсами вычислительной системы. Первый уровень в основном состоит из драйверов физических устройств. Следующий уровень - управление логическими устройствами. И так далее. Таких уровней может быть достаточно много. Чем дальше от ядра, тем большая абстрактность имеет место быть. К примеру, где-то в нашей схеме могут появиться драйверы управления файлами, которые, на самом деле, связаны с драйверами управления логическими дисками, а те, в свою очередь, связаны с драйверами реальных физических устройств и так далее.

Вовсе не обязательно, что все компоненты ОС работают в режиме супервизора, или  в режиме ОС. Многие из компонентов, которые логически достаточно удалены от ядра, могут работать в обыкновенном пользовательском режиме. Так же не обязательно, все эти компоненты ОС работают в резидентном режиме. Обычно, для многих функций это не требуется.

Теперь  перейдем к более подробному рассмотрению основных функций ОС. 

Управление  использованием времени  центрального процессора. 

На самом  деле, от того, какой алгоритм выбора задачи для передачи ей активности ЦП реализован в ОС, зависят многие реальные эксплуатационные свойства этой ОС. Выбор алгоритма почти целиком определяется теми критериями эффективности, которые используются для оценки эффективности работы ОС. Поэтому управление использованием времени ЦП мы с вами рассмотрим на фоне рассмотрения типов ОС.

Первая  ситуация. У меня есть большое количество задач или программ, требующих большого объема вычислительных мощностей системы. Это те задачи, которые называют счетными задачами; они требуют большого объема вычислений и мало обращаются к внешним устройствам. Эти задачи должны выполняться на одной вычислительной системе. Что будет являться критерием эффективности для работы системы при выполнении этого пакета задач? Какой набор параметров можно взять и сказать: если они большие - то хорошо, если наоборот - то плохо?  Для такой ситуации критерием эффективности работы вычислительной системы является степень загрузки ЦП. Если он мало простаивает (т.е. работает в режиме ожидания, а все процессы занимаются обменом, либо ОС берет на себя время), то мы можем сказать, что такая система работает эффективно. Этого можно добиться с использованием

     2

соответствующего  алгоритма планирования, который  заключается в следующем. Мы запускаем  для обработки тот набор задач, который у нас есть по возможностям ОС, что обеспечивается режимом мультипрограммирования. Алгоритм планирования времени ЦП в этом случае будет следующий: если ЦП выделен одному из процессов, то этот процесс будет занимать ЦП до наступления одной из следующих ситуаций:

1. Обращение к внешнему устройству.

2. Завершение процесса.

3. Зафиксированный факт зацикливания процесса.

Как только наступила одна из этих ситуаций, управление передается другому процессу. Количество передач управления от одного процесса к другому минимизировано. Так  как при передаче управления с  одного процесса на другой ОС должна выполнить набор некоторых действий, а это потеря времени, то здесь эти потери минимизированы. Такой режим работы ОС называется пакетным режимом. ОС, которая работает в таком режиме, называется пакетной ОС.

Теперь  посмотрим следующую задачу.  Предположим, у нас есть самолет, управляемый автопилотом, который на автопилоте производит  операцию снижения. У каждого самолета есть прибор, который измеряет высоту от самолета до поверхности земли. Режим работы самолета таков, что управление его функциями по некоторой заданной  программе осуществляет компьютер. Итак, если у нас есть система автопилота, и самолет снижается, это система должна контролировать высоту полета. Центральный компьютер этого самолета может решать несколько задач: он может контролировать высоту полета, уровень топлива  в баках, какие-то показатели работы двигателей и т.д. Управлением каждой из этих функций занимается свой процесс. Предположим, у нас пакетная ОС, и мы внимательно контролируем уровень топлива в баках. При этом, очевидно, возникает аварийная ситуация, ведь самолет продолжает снижаться, а ОС этого не замечает.

Предположим, у нас система разделения времени. Одним из качеств системы разделения времени является неэффективность  за счет того, что в системе предусмотрено  большое количество переключений с процесса на процесс, а эта функция достаточно трудоемка. Та же ситуация: высота подходит к нулю, а ОС занимается переустановкой  таблиц приписки. Такой вариант тоже не подходит.

Для решения  такого рода задач нужны свои средства планирования. В этом случае используются, так называемые, ОС реального времени, основным критерием которых является время гарантированной реакции системы на возникновение того или иного события из набора заранее предопределенных событий. То есть в системе есть набор событий, на которые система в любой ситуации прореагирует и обработает их за некоторое наперед заданное время. Для нашего примера таким событием может быть поступление информации от датчика высоты. Реально для ОС этого класса используются достаточно простые алгоритмы. Все планирование заключается в этом критерии, то есть гарантируется обработка события за время, не превышающее некоторого порогового значения. Но ОС реального времени обычно имеет свое специфическое устройство, которое определяется не только этим простым алгоритмом планирования, но и внутренним переустройством системы.

Подводя некоторую черту под функцией управления использованием

3

времени ЦП и планирования ЦП, обращаю внимание на два факта. Первый факт это то, что те алгоритмы, которые реализованы в системе планирования  распределением времени ЦП во многом определяют эксплуатационные свойства вычислительной системы. Я специально приводил примеры, предлагая использовать разные ОС для разных целей. Второй факт. Мы рассмотрели три типовых разновидности ОС: системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. На сегодняшний день  можно говорить о том, что система реального времени это отдельный класс ОС. Гарантированно, ОС Windows не будет управлять какими-то объектами, у которых это реальное время очень критично. Также не будет управлять такими объектами и ОС СОЛЯРИС или LINUX и т.д., потому что эти системы не являются системами реального времени.  

Управление  подкачкой и буфером  ввода. 

Современные ОС достаточно «ленивы» и откачку зачастую осуществляют не единицами блоков памяти процессов, а откачивается весь процесс. Здесь возникает два вопроса: каков критерий замещения процесса и каков критерий выбора из буфера того процесса, который нам требуется ввести для мультипрограммной обработки. Самый простейший вариант заключается в использовании времени нахождения в том или ином состоянии. В первом случае, если мы решаем вопрос об откачке процесса из активного состояния из числа обрабатываемых в область подкачки, то можем взять тот процесс, который   дольше всего находится в состоянии обработки по астрономическому времени. Обратный процесс может быть симметричен, т.е. мы можем брать из буфера ввода процессов тот процесс, который дольше всего там находится. На самом деле, это простые и реальные алгоритмы планирования, и они могут видоизменяться из соображения разных критериев. 

Управление  разделяемыми ресурсами. 

Предположим, есть два процесса, которые работают на общем пространстве оперативной памяти. При этом разделяемые ресурсы могут работать в разных режимах, т.е. не исключена ситуация, когда два процесса реально находятся на разных машинах, но они связаны общем полем оперативной памяти. В этом случае возникает проблема с буферизацией работы с памятью, потому что на каждой из машин есть свои механизмы буферизации чтения-записи. Здесь возникает нехорошая ситуация, когда состояние физической памяти не соответствует реальному ее содержимому. А также возникают некоторые проблемы для ОС, работающей на двух машинах.

Пусть есть два процесса, которые работают на одной машине. Должны быть определенные средства, которые позволят синхронизовать доступ к разделяемой памяти, то есть позволят создать условия, при которых обмен каждого из работающих процессов с оперативной памятью будет происходить корректно. Это значит, что при каждом чтении информации из разделяемой памяти должно быть гарантированно, что все пользователи, которые начали писать что-то в эту память, уже этот процесс завершили - должна быть синхронизация по обмену с разделяемой памятью.

В действительности при решении задач зачастую не требуется таких 

4

разделяемых ресурсов,  как общая память, но хотелось бы, чтобы процессы, которые функционируют одновременно, могли оказывать некоторое влияние друг на друга. Влияние, аналогичное аппарату прерываний. Для реализации этого во многих ОС имеются средства передачи  сигналов между процессами, тогда возникает некоторая программная эмуляция прерываний. Один процесс говорит - передай сигнал другому процессу. В другом процессе возникает прерывание выполнения этого процесса и передача управления на некоторую предопределенную функцию, которая должна обработать полученный сигнал. Это третья функция ОС.

Любая ОС также содержит огромный набор других функций, которые обеспечивают работу этой системы. 

2. Файловая система. 

Мы с  вами говорили, что каждая из операционных систем оперирует некоторыми сущностями, одной из которых является процесс. Есть вторая сущность, которая также важна - это понятие файла. Файловая система - это компонент операционной системы, обеспечивающий организацию создания, хранения и доступа к именованным наборам данных. Эти именованные наборы данных называются файлами.